Les affections ostéo-articulaires concernent des millions de personnes. L’ingénierietissulaire osseuse, associant cellules souches mésenchymateuses humaines (CSM) etmatériaux synthétiques, pourrait répondre aux besoins cliniques. Pour cela, les différentescomposantes de cette approche et leur association doivent être mieux étudiées pour la rendreutile cliniquement. Durant cette thèse, une première étude animale proche du cas cliniquenous a permis de définir les points à améliorer pour le traitement des pertes osseuses. Nousavons ainsi pu développer un milieu spécifique induisant une différenciation rapide etterminale des CSM en ostéoblastes. Par la suite, l’utilisation de particules de céramiquescomme support cellulaire nous a permis d’obtenir des hybrides riches en matriceextracellulaire. Cet environnement 3D biomimétique permet l’engagement spontané des CSMvers un phénotype ostéoblastique et l’obtention d’une quantité osseuse importante in vivo.L’ensemble de ces résultats met en évidence l’importance de l’environnement et du stade dedifférenciation cellulaire pour la formation osseuse par ingénierie tissulaire osseuse. / Osteo-articular disorders affect millions of people over the world. Bone tissueengineering, an approach combining human mesenchymal stem cells (MSC) and syntheticmaterials, could potentially fulfill clinical needs. However, the different components of thisapproach and their association should be investigated further to make it clinically useful. Inthis thesis, an initial animal study close to clinical situation allowed us to identify areas thatneed improvement for regenerating bone defect. We were then able to develop a specificmedium which induces a rapid and terminal osteoblastic differentiation of MSC.Subsequently, the use of ceramic particles as cell support has allowed us to obtain hybridmainly composed of extracellular matrix. This biomimetic 3D environment allowsspontaneous osteoblastic commitment of MSC and induces a large bone quantity in vivo.Overall, these results highlight the importance of the environment and the cell differentiationstate for bone formation using bone tissue engineering.

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

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

Chez les personnes post-AVC (Accident Vasculaire Cérébral), spasticité, faiblesse et toute autre coactivation anormale proviennent de limitations dans la régulation de la gamme des seuils des réflexes d'étirement. Nous avons voulu savoir si les déficits dans les influences corticospinales résiduelles contribuaient à la limitation de la gamme des seuils et au développement de la spasticité chez les patients post-AVC. La stimulation magnétique transcranienne (SMT) a été appliquée à un site du cortex moteur où se trouvent les motoneurones agissant sur les fléchisseurs et extenseurs du coude. Des potentiels évoqués moteurs (PEM) ont été enregistrés en position de flexion et d'extension du coude. Afin d'exclure l'influence provenant de l'excitabilité motoneuronale sur l'évaluation des influences corticospinales, les PEM ont été suscités lors de la période silencieuse des signaux électromyographiques (EMG) correspondant à un bref raccourcissement musculaire juste avant l'enclenchement de la SMT. Chez les sujets contrôles, il y avait un patron réciproque d'influences corticospinales (PEM supérieurs en position d'extension dans les extenseurs et vice-versa pour les fléchisseurs). Quant à la plupart des sujets post-AVC ayant un niveau clinique élevé de spasticité, la facilitation corticospinale dans les motoneurones des fléchisseurs et extenseurs était supérieure en position de flexion (patron de co-facilitation). Les résultats démontrent que la spasticité est associée à des changements substantiels des influences corticospinales sur les motoneurones des fléchisseurs et des extenseurs du coude. / In post-stroke patients, spasticity, weakness and abnormal coactivation result from limitations in the range of regulation of stretch reflex thresholds. We investigated whether the deficits in residual corticospinal influences contribute to the limitation in the regulation of those thresholds and as a result to spasticity in post-stroke subjects. A single-pulse transcranial magnetic stimulation (TMS) was applied to the site of the motor cortex projecting to motoneurons of elbow flexors and extensors. Responses to TMS (motor evoked potentials or MEPs) were recorded at a flexion and an extension position of the elbow joint. To exclude the influence of background motoneuronal excitability on the evaluation of corticospinal influences, MEPs were elicited during the electromyographic (EMG) silent period produced by brief muscle shortening prior to TMS. In control subjects, corticospinal facilitation of flexor motoneurons was usually larger whereas that of extensor motoneurons was smaller during actively maintained flexion than when the extension position was maintained (reciprocal pattern of position-related changes in flexor and extensor MEPs). In most post-stroke subjects with high clinical spasticity scores, corticospinal facilitation of both flexor and extensor motoneurons was greater at the actively established flexion position (co-facilitation pattern). Results show that spasticity is associated with substantial changes in the corticospinal influences on flexor and extensor motoneurons. Corticospinal co-facilitation of the two groups of motoneurons may be related to the necessity to overcome resistance of spastic muscles during active changes in the elbow joint angle.

Alors que l’Imagerie par résonance magnétique (IRM) permet d’obtenir un large éventail de données anatomiques et fonctionnelles, les scanneurs cliniques sont généralement restreints à l’utilisation du proton pour leurs images et leurs applications spectroscopiques. Le phosphore jouant un rôle prépondérant dans le métabolisme énergétique, l’utilisation de cet atome en spectroscopie RM présente un énorme avantage dans l’observation du corps humain. Cela représente un certain nombre de déEis techniques à relever dus à la faible concentration de phosphore et sa fréquence de résonance différente. L’objectif de ce projet a été de développer la capacité à réaliser des expériences de spectroscopie phosphore sur un scanneur IRM clinique de 3 Tesla. Nous présentons ici les différentes étapes nécessaires à la conception et la validation d’une antenne IRM syntonisée à la fréquence du phosphore. Nous présentons aussi l’information relative à réalisation de fantômes utilisés dans les tests de validation et la calibration. Finalement, nous présentons les résultats préliminaires d’acquisitions spectroscopiques sur un muscle humain permettant d’identiEier les différents métabolites phosphorylés à haute énergie. Ces résultats s’inscrivent dans un projet de plus grande envergure où les impacts des changements du métabolisme énergétique sont étudiés en relation avec l’âge et les pathologies. / Although magnetic resonance imaging (MRI) provides a wide array of anatomical and functional contrasts, clinical MRI systems are typically limited to imaging of tissue water and spectroscopy based on hydrogen atoms in more complex molecules. Given the important role of phosphate metabolism in virtually all biological processes, there has been considerable interest in the development of technology allowing detection and spectroscopy of magnetic resonance signals associated with phosphorus in the human body. This poses a number of technical challenges, due to the lower natural abundance and resonant frequency of phosphorus. The objective of this project was to develop and implement a basic in vivo phosphorus capability on a clinical 3 Tesla MRI scanner. We present here the various steps toward building and testing a working prototype of MR coil tuned to phosphorus frequency. We also provide information on building a set of test phantoms required for this project that can be used for signal calibration. Finally we show preliminary phosphorus spectra from muscle, in human subjects, demonstrating the main constituents in high-energy phosphate metabolism. These results pave the way for future applications in which the metabolic physiology of the human brain will be studied during aging and in disease.

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

Cette thèse relève de l’ingénierie des connaissances et en particulier elle s’inscrit dans le cadre technique du web sémantique. Nous prenons un objet particulier : une théorie linguistique de la temporalité (temps et aspect), et nous proposons une traduction en plusieurs étapes de cette théorie en un artefact de représentation des connaissances : une ontologie. Nous passons en revue différents modèles (logiques, IA, linguistiques) de représentation du temps. Nous détaillons la notion d’ontologie en elle-même et telle qu’elle est utilisée dans le cadre informatique. Ensuite nous traduisons la théorie linguistique que nous choisissons en un objet vérifiant les propriétés d’un réseau d’entités qui sont caractéristiques d’une ontologie au sens du web sémantique. La dernière étape consiste en l’implémentation de notre ontologie en utilisant les standards W3C. / This is a knowledge engineering work that specifically deal with semantic web technologies. We first take an particular objet: a linguistic theory of time and aspect and we propose a translation of it into a knowledge engineering artefact (an ontology) following several steps. We look at different approach of time (logical, AI, linguistic) of time representation. Then we analyse the notion of ontology as understood in the computer science framework. An ontology is a network of entities, we give a translation of the linguistic theory of time and aspect into an ontology and we translate this resulting ontology using W3C semantic web standards.

La création d'un réseau vasculaire fonctionnel est une préoccupation importante afin d'assurer la parfaite vitalité des produits d’ingénierie tissulaire (IT). La compréhension des mécanismes de l'angiogenèse est essentielle dans un objectif de synthèse de produits d’ingénierie tissulaire vascularisés. Dans ce travail, nous avons visé à caractériser le microenvironnement responsable de l'angiogenèse des cellules endothéliales (CEs). Pour cela, nous avons élaboré des biomatériaux bioactifs (polymères fonctionnalisés par des peptides, et contrôlé leur distribution à l'échelle micrométrique) afin de mimer une situation physiologique des CEs.Dans en premier temps, nous avons mis au point une stratégie de fonctionnalisation biochimique d’un matériau polymère (le polyéthylène téréphtalate, PET) en utilisant des peptides spécifiques des CEs. L'immobilisation de ces peptides a permis d’assurer une bioactivité de ces surfaces, et l’amélioration des fonctions des CEs comme l'adhésion, l’étalement et la migration cellulaire.Ensuite, notre travail s’est inscrit dans l’évaluation de l’impact d’une distribution contrôlée de peptides en surface de matériaux (acquise par photolithographie) sur le comportement des CEs et sur l’angiogenèse. Nos résultats ont montré que les CEs adhèrent et sont alignés sur les « micropatterns » peptidiques quelle que soit la taille de ces « micropatterns » (lignes de largeurs comprises entre 10 et 100 µm). Nous avons mis en évidence que la taille des « micropatterns » bioactifs a un réel impact sur le comportement des CEs (l’étalement, l'orientation et la migration cellulaire). La morphogenèse des CEs (la formation d’un « tube-like ») a été mise en évidence sur des matériaux microstructurés par des lignes peptidiques de 10 et 50 µm de largeur, quels que soient les peptides RGD ou SVVYGLR immobilisés en surface. Nous avons montré que la lumière de structures tubulaires peut être constituée d’une à quatre cellules selon la contrainte géométrique appliquée sur les « micropatterns ». Nos travaux ont montré que le « sprouting » ainsi que la formation du réseau vasculaire peuvent être induits seulement sur des surfaces « micropatternés » par des peptides SVVYGLR. Nos résultats démontrent que l'induction de l'angiogenèse est multiparamétrique. Celle-ci est dépendante de constituants biochimiques ainsi que de leur micro-distribution.Troisièmement, nous avons utilisé la modélisation mathématique pour comprendre l'impact de « micropatterns » bioactifs sur la migration des CEs. Un modèle de type continu Patlak-Keller-Segel a été utilisé, et les résultats numériques sont bien conformes avec nos résultats expérimentaux. Pour finir, nos travaux se sont focalisés sur l'étude de la stabilisation de ces structures tubulaires. Les résultats ont montré que les cocultures de CEs avec les péricytes, ainsi que le recrutement de composant de membrane basale (Matrigel) peuvent stabiliser ces structures vasculaires.En conclusion générale, le travail réalisé dans cette thèse a prouvé que le « micropatterning » des principes bioactifs sur polymères est efficace pour stimuler l'angiogenèse et pour construire une vascularisation fonctionnelle. Enfin, ce travail a permis de comprendre la biologie de l’angiogenèse et pourra aider indéniablement tous les travaux en cours s’inscrivant dans l’ingénierie tissulaire. / The creation of a functional vascular network is a major concern to ensure the vitality of perfect tissue engineered products. Understanding the mechanisms of angiogenesis is essential for the vascularization in tissue engineering. In this work, we aimed to characterize the microenvironment responsible for angiogenesis of endothelial cells. To achieve this request, we developed bioactive biomaterials (polymers functionalized mainly with peptides, and controlled their distribution at micrometer scale) to mimic a physiological microenvironment of endothelial cells. First, we developed the biochemical functionalized of polymer materials (polyethylene terephthalate, PET) using endothelial cell specific peptides. The peptide immobilization ensured the bioactivity onto material surfaces, and enhanced endothelial cell functions such as cell adhesion, spreading and migration. Second, we introduced photolithographical technique to control geometrical distribution of peptides on material surfaces, and studied the effects of peptide micropatterning onto endothelial cell (EC) angiogenesis. ECs were adhered and aligned onto peptides micropatterns whatever the size of peptide micropatterns. However, EC behaviors (cell spreading, orientation and migration) were significantly more regulated on smaller micropatterns (10 and 50 µm) than on larger stripes (100 µm). EC morphogenesis into tube formation can also switch onto the smaller micropatterns (10 and 50 µm) with either RGD or SVVYGLR peptides. The central lumen of tubular structures can be formed by single-to-four cells due to geometrical constraints applied on the micropatterns. Sprouting angiogenesis of ECs and vascular network formation can be induced on surfaces micropatterned with angiogenic SVVYGLR peptides. Our overall results revealed that the induction of angiogenesis is multi-parametric. This is dependent on biochemical constituents and their micro-distributions. Third, we employed mathematical modeling to understand the impact of bioactive micropatterns on endothelial cell migration. A continuous Patlak-Keller-Segel type model was used, and the numerical results were in well accordance with our experimental results.Furthermore, we also developed the study of stabilization of tubulogenenic structure in this thesis. The results showed that the co-cultures of endothelial cells with pericytes, as well as the recruitment of basement membrane components (Matrigel) can stabilize the vascular tube structures. In general conclusion, our work in this thesis proved that bioactive micropatterning of polymer is effective to stimulate angiogenesis and to construct functional vascularization. This work helps us to understand the fundamental biology of angiogenesis, and has great potential for application in tissue engineering.

Cette thèse est basée sur une étude des problèmes de reproductibilité rencontrés dans la recherche en traitement d'image. Nous avons conçu, créé et développé un journal scientifique, Image Processing On Line (IPOL), dans lequel les articles sont publiés avec une implémentation complète des algorithmes décrits, validée par les rapporteurs. Un service web de démonstration des algorithmes est joint aux articles, permettant de les tester sur données libres et de consulter l'historique des expériences précédentes. Nous proposons également une politique de droits d'auteur et licences, adaptée aux manuscrits et aux logiciels issus de la recherche, et des règles visant à guider les rapporteurs dans leur évaluation du logiciel. Le projet scientifique que constitue IPOL nous apparaît très bénéfique à la recherche en traitement d'image. L'examen détaillé des implémentations et les tests intensifs via le service web de démonstration ont permis de publier des articles de meilleure qualité. La fréquentation d'IPOL montre que ce journal est utile au-delà de la communauté de ses auteurs, qui sont globalement satisfaits de leur expérience et apprécient les avantages en terme de compréhension des algorithmes, de qualité des logiciels produits, de diffusion des travaux et d'opportunités de collaboration. Disposant de définitions claires des objets et méthodes, et d'implémentations validées, il devient possible de construire des chaînes complexes et fiables de traitement des images. / This thesis is based on a study of reproducibility issues in image processing research. We designed, created and developed a scientific journal, Image Processing On Line (IPOL), in which articles are published with a complete implementation of the algorithms described, validated by the rapporteurs. A demonstration web service is attached, allowing testing of the algorithms with freely submitted data and an archive of previous experiments. We also propose copyrights and license policy, suitable for manuscripts and research software software, and guidelines for the evaluation of software. The IPOL scientific project seems very beneficial to research in image processing. With the detailed examination of the implementations and extensive testing via the demonstration web service, we publish articles of better quality. IPOL usage shows that this journal is useful beyond the community of its authors, who are generally satisfied with their experience and appreciate the benefits in terms of understanding of the algorithms, quality of the software produced, and exposure of their works and opportunities for collaboration. With clear definitions of objects and methods, and validated implementations, complex image processing chains become possible.

A une époque où les technologies nouvelles fleurissent chaque jour, un domaine particulier se détache : l’électronique organique. Par son utilité et sa facilité de mise en œuvre, l’électronique organique affiche de grandes promesses pour l’avenir. Dans le but d’améliorer le procédé de fabrication et la durée de vie de ces dispositifs, le travail de cette thèse s'est focalisé sur la synthèse de copolymères à architectures variées à base de poly(3-hexylthiophène) (P3HT). Après avoir exposé les problématiques et objectifs de la thèse dans une première partie, la synthèse de différents précurseurs P3HT est décrite. Ces matériaux représentent la base des travaux présentés dans cet ouvrage. Dans un premier temps, l'optimisation de la synthèse des copolymères à blocs rigide-flexible a été réalisée en suivant une stratégie adaptée pour une application en électronique organique. La conception de nouveaux matériaux semi-conducteurs à architectures ramifiées est traitée par la suite. Enfin, le dernier chapitre porte sur l'intégration d’un copolymère, le P3HT-b-Poly(4vinylpyridine), en cellule photovoltaïque organique en tant qu'additif de la couche active. Cette approche s’avère être particulièrement puissante, permettant notamment de diminuer le temps et le coût énergétique de la mise en œuvre de ces cellules en s’affranchissant d’une étape clé de la fabrication, le recuit. / At a time when new technologies emerge every day, a specific domain stands out: the organic electronic. Through its low cost processing or even its utility, the organic electronic constitutes a very promising future.In order to improve the fabrication process and the lifetime of the devices, the work of this thesis was focused on the synthesis of copolymers with various architectures based on poly(3-hexylthiophene) (P3HT). After a first part where main issues and objectives are presented, the synthesis of different P3HT-based precursors is described in a part which could be considered as the heart of these works. Starting with appropriated precursors, the optimization of rod-coil diblock copolymer synthesis was performed following a strategy designed specifically for organic electronic application. Moreover, the precursors were used for the conception of new semi-conducting materials with a variety of architectures, such as graft and star copolymers. Finally, the last part deals with the integration of the P3HT-b-Poly(4-vinylpyridine) copolymer into organic solar cell as an additive of the active layer. This approach turns out to be powerful, especially allowing decreasing the time and the energy cost by avoiding the key step of the fabrication process of those devices, the annealing step.