L'ATPase-Ca2+ du réticulum sarcoplasmique est une protéine membranaire dont plusieurs conformations ont été résolues par cristallographie des rayons X. Ces structures ont été précieuses pour l'interprétation de nos études fonctionnelles sur le rôle du domaine A et de la boucle L6-7 de l'ATPase. Mais nous avons montré que les conditions de cristallisation aboutissent parfois à des structures paradoxales : la présence de concentrations importantes de Ca2+ pendant la cristallisation en présence d'AMPPCP conduit l'ATPase à adopter une conformation probablement différente de sa structure moyenne en solution; de même, dans les conformations de l'ATPase proches de l'état phosphorylé «E2P», les inhibiteurs généralement utilisés pour stabiliser l'ATPase bloquent de façon artéfactuelle l'ouverture des sites Ca2+ vers la lumière du réticulum. Nous avons tenté de comprendre les avantages et inconvénients de divers polymères amphiphiles conçus pour stabiliser en solution les protéines membranaires.

Ce travail porte sur la modélisation numérique des propriétés diélectriques de matériaux composites modèles à deux et trois phases comportant des inclusions de forme arbitraire. Deux approches numériques basées sur la méthode des éléments finis FE) et celle des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) sont implantées et validées. Dans un premier temps nous décrivons une méthode de simulation FDTD pour étudier l'influence de la géométrie de l'inclusion sur les propriétés diélectriques effectives d'une structure hétérogène non-dissipative bidimensionnelle à deux phases. Nous avons spécifiquement considéré une géométrie fractale de l'inclusion et examinons les conséquences de la symétrie d'auto-similarité sur la permittivité du matériau composite. Dans un deuxième temps, nous utilisons une méthode de simulation FE permettant le calcul de la permittivité effective complexe de structures bidimensionnelles perforées. Ces calculs permettent d'apporter un éclairage innovant sur le rôle des différents paramètres (fraction surfacique et périmètre de l'inclusion, contraste de permittivité entre l'inclusion et la matrice hôte, pertes diélectriques, et forme des trous) influençant la permittivité effective. Nous montrons également que le facteur de dépolarisation d'une inclusion dans une structure composite peut être finement ajusté selon la forme de l'inclusion, le contraste de permittivité entre l'inclusion et la matrice, ainsi que par la polarisation du champ électrique. L'originalité de la méthode est de mettre à profit le caractère dipolaire des interactions électrostatiques dans la limite diluée. De par l'analogie qui existe entre les phénomènes de polarisation et d'aimantation dans l'hypothèse quasi-tatique, ces paramètres permettent aussi une évaluation du facteur de désaimantation. Les propriétés diélectriques de matériaux artificiels (métamatériaux) sont également analysées afin d'en isoler des comportements spécifiques. Nous montrons que la forme de l'inclusion influe sur la position de la résonance électrostatique (RE). Selon la forme de l'inclusion, son arrangement dans le composite(isolée, ou structurée en réseau), ses paramètres intrinsèques, nous mettons en évidence une hiérarchie originale des positions de la RE. Enfin à l'aide de structures encapsulées, nous montrons qu'un contrôle précis des propriétés de RE de structures de type métamatériaux (permittivité dont la partie réelle est négative) peut être réalisé par la polarisation du champ excitateur et la topologie de l'inclusion. L'ensemble de ces résultats numériques permet d'apporter un éclairage innovant sur la réponse diélectrique de matériaux composites à la base d'un très grand nombre d'application technologiques.

Ce travail porte sur la modélisation numérique des propriétés diélectriques de matériaux composites modèles à deux et trois phases comportant des inclusions de forme arbitraire. Deux approches numériques basées sur la méthode des éléments finis (FE) et celle des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) sont implantées et validées. Dans un premier temps nous décrivons une méthode de simulation FDTD pour étudier l'influence de la géométrie de l'inclu- sion sur les propriétés diélectriques effectives d'une structure hétérogène non-dissipative bidimensionnelle à deux phases. Nous avons spécifiquement considéré une géométrie fractale de l'inclusion et examinons les conséquences de la symé- trie d'auto-similarité sur la permittivité du matériau composite. Dans un deuxième temps, nous utilisons une méthode de simulation FE permettant le calcul de la permittivité effective complexe de structures bidimensionnelles perforées. Ces calculs permettent d'apporter un éclairage innovant sur le rôle des différents paramètres (fraction surfacique et périmètre de l'inclusion, contraste de permittivité entre l'inclusion et la matrice hôte, pertes diélectriques, et forme des trous) in- fluençant la permittivité effective. Nous montrons également que le facteur de dépolarisation d'une inclusion dans une structure composite peut être finement ajusté selon la forme de l'inclusion, le contraste de permittivité entre l'inclusion et la matrice, ainsi que par la polarisation du champ électrique. L'originalité de la méthode est de mettre à profit le carac- tère dipolaire des interactions électrostatiques dans la limite diluée. Les propriétés diélectriques de matériaux artificiels (métamatériaux) sont également analysées afin d'en isoler des comportements spécifiques. Nous montrons que la forme de l'inclusion influe sur la position de la résonance électrostatique (RE). Selon la forme de l'inclusion, son arrangement dans le composite (isolée, ou structurée en réseau), ses paramètres intrinsèques, nous mettons en évidence une hiérarchie originale des positions de la RE. Enfin à l'aide de structures encapsulées, nous montrons qu'un contrôle précis des pro- priétés de RE de structures de type métamatériaux (permittivité dont la partie réelle est négative) peut être réalisé par la polarisation du champ excitateur et la topologie de l'inclusion. L'ensemble de ces résultats numériques permet d'apporter un éclairage innovant sur la réponse diélectrique de matériaux composites à la base d'un très grand nombre d'application technologiques.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La tomographie optique diffuse (DOT) se caractérise par l’utilisation de la lumière dans un régime de propagation diffusif pour sonder les tissus biologiques. L’utilisation de marqueurs fluorescents permet de cibler des processus biologiques précis (tomographie optique diffuse en fluorescence - FDOT) et d’améliorer le contraste dans les images obtenues. Les applications typiques de la DOT/FDOT sont la mammographie laser, l’imagerie cérébrale de nouveau-nés et les investigations non-invasives sur petits animaux, notamment pour l’imagerie moléculaire. Le présent projet fait partie du programme de recherche TomOptUS dirigé par le professeur Yves Bérubé-Lauzière. Un scanner optique pour petits animaux y est en cours de développement. Ce scanner possède la particularité de fonctionner avec une prise de mesures sans contact dans le domaine temporel. La première partie du projet a pour point de départ l’algorithme développé en FDOT par Vincent Robichaud qui permet la localisation spatiale d’une seule inclusion fluorescente ponctuelle immergée dans un milieu diffusant homogène ayant une géométrie cylindrique. Une nouvelle approche de localisation pour une pluralité d’inclusions discrètes est ici introduite. Cette dernière exploite l’information contenue dans le temps de vol des premiers photons provenant d’une émission de fluorescence. Chaque mesure permet de définir un lieu géométrique où une inclusion peut se trouver : ces lieux prennent la forme d’ovales en 2D ou d’ovoïdes en 3D. À partir de ces lieux, une carte de probabilité de présence des inclusions est construite : les maxima de la carte correspondent à la position des inclusions. Cette approche géométrique est soutenue par des simulations Monte Carlo en fluorescence dans des milieux reproduisant les propriétés optiques des tissus biologiques. Plusieurs expériences sont ensuite effectuées sur une mire optique homogène répliquant les propriétés optiques des tissus dans lequel des inclusions remplies de vert d’indocyanine (ICG) sont placées. L’approche permet la localisation avec une erreur positionnelle de l’ordre du millimètre. Les résultats démontrent que l’approche est précise, rapide et efficace pour localisation des inclusions fluorescentes dans un milieu hautement diffusant mimant les tissus biologiques. Des simulations Monte Carlo sur un modèle réaliste de souris montrent la faisabilité de la technique pour l’imagerie sur petits animaux. Le second volet de la thèse s’intéresse aux mesures intrinsèques par le développement d’une approche de reconstruction d’une carte des vitesses de propagation des ondes lumineuses diffuses dans un milieu diffusant hétérogène. De telles vitesses constituent un nouveau contraste pour de l’imagerie DOT. La méthode utilise une configuration en faisceaux lumineux analogue aux méthodes utilisées en tomographie par rayons X. Ici, toutefois, les temps d’arrivée des premiers photons sont utilisés plutôt que l’amplitude du signal. Des résultats sont présentés en 2D pour différentes configurations d’inclusions démontrant la validité de l’approche. Des simulations Monte Carlo sont utilisées pour simuler la propagation intrinsèque dans des milieux hétérogènes et pour venir appuyer la démarche.

Depuis quelques années, le domaine de la santé numérique est en pleine expansion tant sur les volets de la prévention, des soins ou de l’éducation à la santé. L’asthme, première maladie chronique chez l’enfant, a des conséquences médicales graves (hospitalisations, décès). Actuellement, un des enjeux est de fournir de l’éducation thérapeutique personnalisée dans le but d’améliorer les compétences des enfants en terme d’autogestion de la maladie, et par effet rebond d’améliorer l’évolution de la maladie. Dans ce contexte, l’objectif général de la thèse était de développer et de valider un outil numérique d’éducation à la santé ciblant de jeunes enfants avec asthme chronique, et ce en collaboration étroite avec le pôle de recherche et développement de la société ItWell. De là, trois volets d’études expérimentales ont été menés. - Volet « Conception » : dans une première étude (étude 1), les méthodes centrées utilisateur de Conception Participative ont été formalisées pour l’élaboration de serious games ciblant l’éducation thérapeutique d’enfants atteints de maladies chroniques. De là, KidBreath a été conçu pour proposer un programme d’éducation thérapeutique ludique centré sur l’asthme avec pour public cible des jeunes enfants. Celui-ci a fait l’objet d’évaluations auprès d’une population « contrôle » étayant son efficacité pédagogique (connaissance sur l’asthme) et son efficience pédagogique (type de motivation suscitée, expérience utilisateur, parcours d’apprentissage dans les modules de KidBreath). - Volet « Validation » : dans une seconde étude (étude 2a), KidBreath a été déployé pendant deux mois auprès d’enfants asthmatiques en condition réelle d’usage et dans un environnement non contrôlé, et ce avec des évaluations à court (1 mois) et à moyen (2 mois) termes. Les principaux résultats ont confirmé l’efficacité et l’efficience pédagogique auprès du public cible, avec un maintien à 2 mois. Néanmoins, l’amélioration des connaissances liées à l’asthme par KidBreath n’a pas permis de modifier les perceptions des enfants sur l’autogestion de la maladie. - Volet « Optimisation » : dans une troisième étude (étude 2b), l’automatisation d’un parcours d’apprentissage personnalisé a été implémentée et évaluée dans les mêmes conditions que l’étude précédente. L’efficience pédagogique de KidBreath a été à nouveau confirmée mais l’amélioration des connaissances liées à l’asthme par KidBreath n’a pas atteint la significativité. De manière intéressante, le niveau atteint de connaissance avec ou sans l’algorithme de personnalisation était similaire alors que le nombre de contenu et le temps consacré dans la condition « avec algorithme de personnalisation » étaient bien inférieurs à ceux observés dans la condition « sans algorithme ». La méthodologie de l’impact des algorithmes a également été utilisée pour les mathématiques (projet Kidlearn), où les résultats ont montré son efficacité pour personnaliser et adapter les contenus pédagogiques selon la progression de l’élève. Ces travaux ont permis d’extraire un modèle général de conception centrée utilisateur dédié aux serious games à visée thérapeutique détaillant la conception des contenus et formats pédagogiques, et les critères de jugement pour l’évaluation. Les études empiriques (études 1, 2) révèlent l’importance des relations entre efficacité pédagogique (connaissance de la maladie) et efficience pédagogique (motivation intrinsèque générée, expérience utilisateur, respect des parcours individualisés d’apprentissage) sans pour autant impacter à court terme les perceptions de la maladie chez l'enfant. L’ensemble des résultats est discuté à la lumière des différents facteurs (durée d’intervention, âge des participants, sévérité de l’asthme, etc) pouvant influencer la transformation connaissance-métaconnaissance. A cela, des perspectives de recherche sont proposées en regard des opportunités offertes par les Systèmes Tutoriels Intelligents (STI) pour la personnalisation des apprentissages. / In recent years, digital health is an expanding domain in both prevention, care as well as health education. Asthma is the first chronic disease in children and has severe medical outcomes (hospitalization, death). One of the key issues is the personalization of therapeutic education to improve disease self-management skills and as far outcome to improve the disease evolution. In this context, the general purpose of the thesis aimed to develop and to assess a serious game for health education of children with asthma in collaboration with the ItWell Company. To this end, experimental studies have been divided into three parts. - “Conception” part: in a first study (study 1), the user-centered methods of Participatory Design have been formalized to develop a design framework for therapeutic education-related serious games targeting children with chronic disease. From this, KidBreath has been designed to propose an edutainment therapeutic educational program for children suffering from asthma. The device has been successfully assessed amongst control children (without asthma) in terms of its pedagogical efficacy (asthma knowledge) and pedagogical efficiency (type of motivation elicited, user experience, and learning path in different contents). - “Validation” part: in a second study (study 2a), KidBreath has been used by children with asthma over a two-month period in a real-life setting. The main results supported pedagogical efficacy and efficiency of KidBreath for target audience at short-term (1 month) and their maintaining at middle-term (2 month). However, the increase of asthma knowledge after using KidBreath failed to modify children perceptions about disease self-management. - “Optimization” part: in a third study (study 2b), the implementation of a system that automates the personalization of learning path was assessed in similar condition than the previous one. The KidBreath pedagogical efficiency was also demonstrated without a significant increase of asthma knowledge. Despite this, the learning level achieved with the personalization algorithm was similar than that obtained without the algorithm. Moreover, the number of contents and the time spent in the personalized condition were diminished compared to the non-personalized condition. The whole of works allowed to extract a general framework of user-centered design for therapeutic serious games which details both instructional content and media formats, as well as judgment criteria for the assessment. Empirical studies (study 1 & 2) revealed the strength of relationships between pedagogical efficacy (disease knowledge) and pedagogical efficiency (intrinsic motivation elicited, user experience, child’s learning path) without short-term impact on the children illness perception. Overall results were discussed in light of different factors, which can bias the transfer from disease knowledge to meta-knowledge (intervention period, age of children, asthma severity etc.). Finally, research perspectives are proposed according to opportunities provided by the Intelligent Tutorial System (ITS) for personalization of learning paths. In particular, a new project named Kidlearn is presented. It is methodologically inspired from the KidBreath project and aimed the algorithm assessment for learning mathematics at primary school level.

Le modèle des automates cellulaires constitue un des modèles le mieux établi de physique discrète sur espace euclidien. Ils implantent trois symétries fondamentales de la physique: la causalité, l'homogénéité et la densité finie de l'information. Bien que l'origine des automates cellulaires provienne de la physique, leur utilisation est très répandue comme modèles de calcul distribué dans l'espace (machines auto-réplicantes, problèmes de synchronisation,...), ou bien comme modèles de systèmes multi-agents (congestion du trafic routier, études démographiques,...). Bien qu'ils soient parmi les modèles de calcul distribué les plus étudiés, la rigidité de leur structure interdit toute extension triviale vers un modèle de topologie variant dans le temps, qui se trouve être un prérequis fondamental à la modélisation de certains phénomènes biologiques, sociaux ou physiques, comme par exemple la discrétisation de la relativité générale. Les dynamiques causales de graphes généralisent les automates cellulaires aux graphes arbitraires de degré borné et pouvant varier dans le temps. Dans cette thèse, nous nous attacherons à généraliser certains des résultats fondamentaux de la théorie des automates cellulaires. En munissant nos graphes d'une métrique compacte, nous présenterons deux approches différentes du modèle. Une première approche axiomatique basée sur les notions de continuité et d'invariance par translation, et une deuxième approche constructive, où une règle locale est appliquée en parallèle et de manière synchrone sur l'ensemble des sommets du graphe. / Cellular Automata constitute one of the most established model of discrete physical transformations that accounts for euclidean space. They implement three fundamental symmetries of physics: causality, homogeneity and finite density of information. Even though their origins lies in physics, they are widely used to model spatially distributed computation (self-replicating machines, synchronization problems,...), as well as a great variety of multi-agents phenomena (traffic jams, demographics,...). While being one of the most studied model of distributed computation, their rigidity forbids any trivial extension toward time-varying topology, which is a fundamental requirement when it comes to modelling phenomena in biology, sociology or physics: for instance when looking for a discrete formulation of general relativity. Causal graph dynamics generalize cellular automata to arbitrary, bounded degree, time-varying graphs. In this work, we generalize the fundamental structure results of cellular automata for this type of transformations. We endow our graphs with a compact metric space structure, and follow two approaches. An axiomatic approach based on the notions of continuity and shift-invariance, and a constructive approach, where a local rule is applied synchronously on every vertex of the graph. Compactness allows us to show the equivalence of these two definitions, extending the famous result of Curtis-Hedlund-Lyndon’s theorem. Another physics-inspired symmetry is then added to the model, namely reversibility.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Le travail présenté dans cette thèse a pour objectif de proposer un algorithme de classification supervisée d’images texturées basée sur la modélisation multivariée de champs texturaux. Inspiré des algorithmes de classification dits à « Sac de Mots Visuels » (SMV), nous proposons une extension originale au cas des descripteurs paramétriques issus de la modélisation multivariée des coefficients des sous-bandes d’une décomposition en ondelettes. Différentes contributions majeures de cette thèse peuvent être mises en avant. La première concerne l’introduction d’une loi a priori intrinsèque à l’espace des descripteurs par la définition d’une loi gaussienne concentrée. Cette dernière étant caractérisée par un barycentre ¯_ et une varianceσ2, nous proposons un algorithme d’estimation de ces deux quantités. Nous proposons notamment une application au cas des modèles multivariés SIRV ( Spherically Invariant Random Vector ), en séparant le problème complexe d’estimationdu barycentre comme la résolution de deux problèmes d’estimation plus simples ( un sur la partie gaussienne et un surle multiplieur ). Afin de prendre en compte la diversité naturelle des images texturées ( contraste, orientation, . . . ), nousproposons une extension au cas des modèles de mélanges permettant ainsi de construire le dictionnaire d’apprentissage.Enfin, nous validons cet algorithme de classification sur diverses bases de données d’images texturées et montrons de bonnes performances de classification vis-à-vis d’autres algorithmes de la littérature. / The prime objective of this thesis is to propose an unsupervised classification algorithm of textured images based on multivariate stochastic models. Inspired from classification algorithm named "Bag of Words" (BoW), we propose an original extension to parametric descriptors issued from the multivariate modeling of wavelet subband coefficients. Some major contributions of this thesis can be outlined. The first one concerns the introduction of an intrinsic prior on the parameter space by defining a Gaussian concentrated distribution. This latter being characterized by a centroid ¯_ and a variance _2,we propose an estimation algorithm for those two quantities. Next, we propose an application to the multivariate SIRV (Spherically Invariant Random Vector) model, by resolving the difficult centroid estimation problem as the solution of two simpler ones (one for the Gaussian part and one for the multiplier part). To handle with the intra-class diversity of texture images (scene enlightenment, orientation . . . ), we propose an extension to mixture models allowing the construction of the training dictionary. Finally, we validate this classification algorithm on various texture image databases and show interesting classification performances compared to other state-of-the-art algorithms.

Cette thèse porte sur la conception de contrôleurs pour robots explorateurs autonomes basée sur une approche en ligne (online) intégrée, ne nécessitant pas de vérité terrain ni d'intervention de l'expert humain au cours du processus d'entrainement.Le travail présenté se focalise sur le domaine de la robotique autonome et plus particulièrement la conception de controleurs robotiques pour les essaims de robots.Ce contexte présente deux difficultés spécifiques. Premièrement, les approches basées sur l'usage de simulateur sont d'efficacité limitée : d'une part, la précision du simulateur est limitée compte tenu de la variabilité des robots élémentaires; d'autre part, la complexité de la simulation est super-linéaire en fonction du nombre de robots de l'essaim. Deuxièmement, les approches guidées par le but se heurtent au fait que la fonction objectif n'est pas définie au niveau du robot individuel, mais au niveau de l'essaim.Une première étape vers la conception de contrôleur explorateur autonome est proposée dans cette thèse. L'approche proposée, appelée exploration robotique fondée sur l'évolution et l'information (Ev-ITER) se fonde sur l'hybridation de la robotique évolutionnaire et de l'apprentissage par renforcement utilisant l'entropie. Cette approche procède en deux phases: (i) dans une première phase l'évolution artificielle est utilisée pour générer des contrôleurs primaires (crawlers), dont les trajectoires sont d'entropie élevée dans l'espace sensori-moteur; (ii) dans une seconde phase, l'archive des trajectoires acquises par les controleurs primaires est exploitée pour définir les controleurs secondaires, inspirés de la motivation intrinsèque robuste et permettant l'exploration rigoureuse de l'environnement.Les contributions de cette thèse sont les suivantes. Premièrement, comme désiré Ev-ITER peut être lancé en ligne, et sans nécessiter de vérité terrain ou d'assistance. Deuxièmement, Ev-ITER surpasse les approches autonomes en robotique évolutionnaire en terme d'exploration de l'arène. Troisièmement, le contrôleur Ev-ITER est doté d'une certaine généralité, dans la mesure où il est capable d'explorer efficacement d'autres arènes que celle considérée pendant la première phase de l'évolution. Il est à souligner que la généralité du contrôleur appris vis-à-vis de l'environnement d'entrainement a rarement été considérée en apprentissage par renforcement ou en robotique évolutionnaire. / This thesis is concerned with building autonomous exploratory robotic controllers in an online, on-board approach, with no requirement for ground truth or human intervention in the experimental setting.This study is primarily motivated by autonomous robotics, specifically autonomous robot swarms. In this context, one faces two difficulties. Firstly, standard simulator-based approaches are hardly effective due to computational efficiency and accuracy reasons. On the one hand, the simulator accuracy is hindered by the variability of the hardware; on the other hand, this approach faces a super-linear computational complexity w.r.t. the number of robots in the swarm. Secondly, the standard goal-driven approach used for controller design does not apply as there is no explicit objective function at the individual level, since the objective is defined at the swarm level.A first step toward autonomous exploratory controllers is proposed in the thesis. The Evolution & Information Theory-based Exploratory Robotics (Ev-ITER) approach is based on the hybridization of two approaches stemming from Evolutionary Robotics and from Reinforcement Learning, with the goal of getting the best of both worlds: (i) primary controllers, or crawling controllers, are evolved in order to generate sensori-motor trajectories with high entropy; (ii) the data repository built from the crawling controllers is exploited, providing prior knowledge to secondary controllers, inspired from the intrinsic robust motivation setting and achieving the thorough exploration of the environment.The contributions of the thesis are threefold. Firstly, Ev-ITER fulfills the desired requirement: it runs online, on-board and without requiring any ground truth or support. Secondly, Ev-ITER outperforms both the evolutionary and the information theory-based approaches standalone, in terms of actual exploration of the arena. Thirdly and most importantly, the Ev-ITER controller features some generality property, being able to efficiently explore other arenas than the one considered during the first evolutionary phase. It must be emphasized that the generality of the learned controller with respect to the considered environment has rarely been considered, neither in the reinforcement learning, nor in evolutionary robotics.