On s’intéresse dans cette thèse à des systèmes couplés de type champ moyen en étudiant l’existence de l’état de synchronisation qui se caractérise par une distance uniformément bornée dans le temps entre chaque paire de composantes d’une solution. L’étude se base sur une méthode perturbative. Néanmoins les résultats obtenus ne sont pas évidents dans le cas non-perturbé. En outre dans le cas où le système couplé est périodique et grâce au Théorème du point fixe on montre l’existence d’une solution périodique sur le tore. L’étude de stabilité et de stabilité exponentielle est établie dans le cas linéaire et appliquée à ce type de systèmes couplés / We study in this thesis a class of a perturbed interconnected mean-field system, also known as a coupled systems. Under some assumptions we prove the existence of an invariant open set by the flow of the perturbed system ; in other word, we prove that the distance between the components of an orbit is uniformly bounded, this property is also called synchronization. We use the perturbation method to obtain the result. However the result is not trivial for the not perturbed system. We use the fixed point theorem to prove the existence of a periodic orbit in the torus. We study in addition the stability and the exponential stability of such systems by studying the stability of a linear systems.

Les structures d'acto-myosine sont impliquées dans de nombreuses fonctions cellulaires. Comprendre leur organisation et leur comportement collectif est toujours difficile. Nous avons étudié l'anneau cytokinétique dans les cellules de mammifères et dans les levures de fission, en orientant les cellules dans les microcavités, ce qui permet de voir l'anneau dans un seul plan focal. Avec cette configuration, nous révélons de nouvelles structures et des dynamiques distinctes pour les deux systèmes cellulaires. Dans les cellules de mammifères, nous trouvons des motifs réguliers de la myosine et la formine. Les caractéristiques de ces motifs sont stables tout au long de sa fermeture et leur apparition coïncide avec la constriction. Nous proposons que ce phénomène est une propriété inhérente du réseau d'acto-myosine et que la formation de ces motifs entraîne une augmentation du stress. Ces hypothèses sont confirmées par notre modèle en champ moyen. Par contraste, l'anneau de levure de fission montre des inhomogénéités tournantes de l'actine, de la myosine, des protéines de la construction de la paroi (Bgs) et d'autres protéines. La dynamique des inhomogénéités de myosine est inchangée, si la croissance de la paroi est inhibée. Cependant, l'inhibition du mouvement des inhomogénéités conduit à l'arrêt de la fermeture. Nous proposons que la fermeture de l'anneau est entraînée par la rotation de l'actine et de la myosine qui tirent des protéines Bgs, lesquelles construisent ainsi le septum. Cette hypothèse est confirmée par nos calculs et par des simulations numériques. Nous suggérons que la transition entre les états de différents ordres et dynamiques pourrait être une façon de réguler in vivo les systèmes d'acto-myosine. / Actomyosin structures are involved in many cell functions. Understanding their organization and collective behavior is still challenging. We study the cytokinetic ring in mammalian cells and in fission yeasts, by orienting cells in microcavities. This allows seeing the ring in a single plane of focus. With this setup, we reveal new structures and distinct dynamics for both cellular systems. In mammalian cells we find a pattern of regular clusters of myosin and formin. The characteristics of this pattern are stable throughout closure and its formation coincides with the onset of constriction. We propose that its characteristic is an inherent property of the actomyosin network and that its formation leads to an increase in stress generation. These hypotheses are supported by our theoretical mean field model. In contrast, fission yeast rings show rotating inhomogeneities (speckles), i.e. rotations of actin, myosin, cell wall building proteins (Bgs) and other proteins. Myosin speckles dynamic is unchanged, if wall growth is inhibited. However, the inhibition of speckle motion leads to stalled closure. We propose that the ring closure is driven by the rotation of actin and myosin, which pull Bgs thereby building the septum. This model is supported by our calculations and by numerical simulations. We suggest that the transition between states of different orders and dynamics might be a way to regulate actomyosin systems in vivo.

Les résultats de notre étude des capacités de modélisation théorique axées sur les approches phénoménologiques nucléaires dans le cadre de la théorie du champ-moyen sont présentés. On s’attend à ce qu’une théorie réaliste soit capable de prédire de manière satisfaisante les résultats des expériences à venir, c’est-à-dire avoir ce qu’on appelle un bon pouvoir prédictif. Pour étudier le pouvoir prédictif d’un modèle théorique, nous avons dû tenir compte non seulement des erreurs des données expérimentales, mais aussi des incertitudes issues des approximations du formalisme théorique et de l’existence de corrélations paramétriques. L’une des techniques centrales dans l’ajustement des paramètres est la solution de ce qu’on appelle le Problème Inverse. Les corrélations paramétriques induisent généralement un problème inverse mal-posé; elles doivent être étudiées et le modèle doit être régularisé. Nous avons testé deux types de hamiltoniens phénoménologiques réalistes montrant comment éliminer théoriquement et en pratique les corrélations paramétriques.Nous calculons les intervalles de confiance de niveau, les distributions d’incertitude des prédictions des modèles et nous avons montré comment améliorer les capacités de prédiction et la stabilité de la théorie. / Results of our study of the theoretical modelling capacities focussing on the nuclear phenomenological mean-field approaches are presented. It is expected that a realistic theory should be capable of predicting satisfactorily the results of the experiments to come, i.e., having what is called a good predictive power. To study the predictive power of a theoretical model, we had to take into account not only the errors of the experimental data but also the uncertainties originating from approximations of the theoretical formalism and the existence of parametric correlations. One of the central techniques in the parameter adjustment is the solution of what is called the Inverse Problem. Parametric correlations usually induce ill-posedness of the inverse problem; they need to be studied and the model regularised. We have tested two types of realistic phenomenological Hamiltonians showing how to eliminate the parametric correlations theoretically and in practice. We calculate the level confidence intervals, the uncertainty distributions of model predictions and have shown how to improve theory’s prediction capacities and stability.

Une des capacités cérébrales les plus fondamentales, qui est essentiel pour tous les fonctions cognitifs de haut niveau, est de garder des informations pertinentes de tâche pendant les périodes courtes de temps; on connaît cette capacité comme la mémoire de travail (WM). Dans des décennies récentes, accumule là l'évidence d'activité pertinente de tâche dans le cortex préfrontal (PFC) de primates pendant les périodes de "delay" de tâches de "delay-response", impliquant ainsi que PFC peut maintenir des informations sensorielles et ainsi la fonction comme un module de WM. Pour la récupération d'informationssensorielles de l'activité de réseau après que le stimulus sensoriel n'est plus présent il est impératif que l'état du réseau au moment de la récupération soit corrélé avec son état au moment de la compensation de stimulus. Un extrême, en vue dans les modèles informatiques de WM, est la coexistence d'attracteurs multiples. Dans cette approche la dynamique de réseau a une multitude d'états stables possibles, qui correspondent aux états différents de mémoire et un stimulus peut forcer le réseau à changer à un tel état stable. Autrement, même en absence d'attracteurs multiples, si la dynamique du réseau estchaotique alors les informations sur des événements passés peuvent être extraites de l'état du réseau, à condition que la durée typique de l'autocorrélation (AC) de dynamique neuronale soit assez grande. Dans la première partie de cette thèse, j'étudie un modèle à base d'attracteur de mémoire d'un emplacement spatial, pour examiner le rôle des non-linéarités de courbes de f-I neuronales dans des mécanismes de WM. Je fournis une théorie analytique et des résultats de simulations montrant que ces nonlinéarités, plutôt que les constants de temps synaptic ou neuronal, peuvent être la base de mécanismes de réseau WM. Dans la deuxième partie j'explore des facteurs contrôlant la durée d'ACs neuronales dans ungrand réseau "balanced" affichant la dynamique chaotique. Je développe une théorie de moyen champ (MF) décrivant l'ACs en termes de plusieurs paramètres d'ordre. Alors, je montre qu'en dehors de la proximité au point de transition-à-chaos, qui peut augmenter la largeur de la courbe d'AC, l'existence de motifs de connectivité peut causer des corrélations de longue durée dans l'état du réseau. / One of the most fundamental brain capabilities, that is vital for any high level cognitive function, is to store task-relevant information for short periods of time; this capability is known as working memory (WM). In recent decades there is accumulating evidence of taskrelevant activity in the prefrontal cortex (PFC) of primates during delay periods of delayedresponse tasks, thus implying that PFC is able to maintain sensory information and so function as a WM module. For retrieval of sensory information from network activity after the sensory stimulus is no longer present it is imperative that the state of the network at the time of retrieval be correlated with its state at the time of stimulus offset. One extreme, prominent in computational models of WM, is the co-existence of multiple attractors. In this approach the network dynamics has a multitude of possible steady states, which correspond to different memory states, and a stimulus can force the network to shift to one such steady state. Alternatively, even in the absence of multiple attractors, if the dynamics of the network is chaotic then information about past events can be extracted from the state of the network, provided that the typical time scale of the autocorrelation (AC) of neuronal dynamics is large enough. In the first part of this thesis I study an attractor-based model of memory of a spatial location to investigate the role of non-linearities of neuronal f-I curves in WM mechanisms. I provide an analytic theory and simulation results showing that these nonlinearities, rather than synaptic or neuronal time constants, can be the basis of WM network mechanisms. In the second part I explore factors controlling the time scale of neuronal ACs in a large balanced network displaying chaotic dynamics. I develop a mean-field (MF) theory describing the ACs in terms of several order parameters. Then, I show that apart from the proximity to the transition-to-chaos point, which can increase the width of the AC curve, the existence of connectivity motifs can cause long-time correlations in the state of the network.

Avec les récents développements obtenus grâce aux modèles globaux magnétohydrodynamiques en trois dimensions de la convection solaire, il est désormais possible de simuler des champs magnétiques structurés à grande échelle et présentant des inversions de polarité bien synchronisées dans chaque hémisphère. Ces modèles qui n'incluent, pour la plupart, aucune modélisation de la surface du Soleil génèrent donc leur dynamo avec l'action de la force électromotrice turbulente (FEM) et de la rotation différentielle uniquement. À partir de cette FEM, différentes techniques peuvent être utilisées pour extraire les coefficients de transport turbulent. Notamment, différents auteurs ont obtenu un tenseur alpha (coefficient du premier ordre) dont les 9 composantes présentent des amplitudes du même ordre, remettant en doute l'approximation faite dans le cas des modèles dynamo de type alphaOmega qui ne tient en compte qu’une de composante du tenseur. À partir d'un code d'analyse par décomposition en valeurs singulières pour évaluer les coefficients du tenseur alpha, nous avons généralisé la procédure pour extraire 18 des composantes du tenseur de deuxième ordre (tenseur beta). Les tenseurs alpha et beta obtenus par cette nouvelle procédure tel qu'appliquée aux sorties du modèle global EULAG-MHD, sont similaires aux tenseurs alpha et beta équivalant obtenus en utilisant l'approximation « Second Order Correlation Approximation ». À l'aide des coefficients de transport turbulent du premier ordre introduit dans un modèle dynamo en champ moyen, nous avons ensuite étudié certaines solutions magnétiques présentant des doubles dynamos. Cette analyse avait pour but de comparer les résultats obtenus par ce modèle simplifié caractérisé par la FEM provenant de EULAG-MHD aux résultats de EULAG-MHD directement. Cette preuve de concept nous a permis de démontrer que l'oscillation observée dans le champ magnétique en surface de EULAG-MHD pouvait provenir de l'action inductive d'une seconde dynamo. Une oscillation biennale est également observée dans plusieurs indices d'activité solaire dont l'origine n'est toujours pas établie. Il est évident que les deux modèles décrits ci-haut et le Soleil opèrent dans des régimes physiques différents. Toutefois, malgré leurs différences, le fait qu'il soit relativement facile de produire une seconde dynamo dans EULAG-MHD et dans le modèle en champ moyen indique que l'action inductive de la FEM peut facilement générer deux dynamos. Finalement, dans le but d'étudier les périodes de grands minima, phénomène encore non reproduit par les modèles globaux, nous avons ajouté une rétroaction magnétique sur l'écoulement azimutal au modèle dynamo cinématique en champ moyen décrit ci-haut. En analysant les solutions de ce modèle dynamo de type alpha2Omega non cinématique, nous avons pu reproduire la tendance observée jusqu'ici uniquement dans les modèles de type alphaOmega selon laquelle le nombre de nombre de Prandtl magnétique contrôle le rapport des périodes générées. De plus, en analysant une solution sur 50 000 ans présentant des périodes de grands minima et maxima non périodiques, nous avons obtenu une distribution de temps de séparation des grands minima presque exponentielle, caractéristique observée dans les reconstructions de l'activité solaire. La rotation différentielle associée à ces périodes de grands minima présente un niveau de fluctuation de 1% par rapport au profil moyen. Ce niveau de fluctuation est d'ailleurs comparable avec les reconstructions historiques de la rotation différentielle en surface obtenues lors du grand minimum de Maunder. / The recent developments achieved by tri-dimensionals magnetohydrodynamic (3D-MHD) global simulations of solar convection allow us to generate an organized large-scale magnetic fields with well-synchronized hemispheric polarity reversal. Because the vast majority of these simulations do not include a modelization of the Sun's surface layer, the generation of their dynamo is thus solely due to the action of the turbulent electromotive force (EMF) in conjunction with differential rotation. From this EMF, different methods can be used to extract the turbulent transport coefficients. In particular, various authors found a full 9 component alpha-tensor (first order coefficients) where all the components are of the same order of magnitude. This finding calls into question the alphaOmega approximation made by the vast majority of mean field dynamo models. We generalized a first order (alpha-tensor) singular value decomposition (SVD) analysis procedure to extract the 18 additional components of the second order tensor (beta-tensor). The alpha and beta tensors obtained by this new procedure as applied to the EULAG-MHD outputs, are similar to the equivalent alpha and beta tensors obtained using the second order correlation approximation (SOCA). By introducing the first order turbulent transport coefficients in a mean field dynamo model, we study the magnetic solutions where double dynamo modes were observed. This analysis allows us to compare the mean field dynamo solutions produced with the EMF, as extracted from EULAG-MHD, with the real magnetic output of EULAG-MHD. This proof of concept demonstrated that the quasi-biennal oscillation observed in the surface toroidal magnetic field in EULAG-MHD can be produced by the inductive action of a secondary dynamo. A similar quasi-biennal oscillation signal is also observed in multiple proxies of the solar activity whose origin is still not confirmed. Although the physical set of properties under which the two numerical models described above operate are different from the Sun, the fact that both models can reproduce a secondary dynamo shows us that the inductive action of the EMF can easily produce two dynamos. Finally, in order to study epochs of grand minima that still cannot be reproduced in global 3D-MHD simulations of convection, we added a magnetic feedback on the mean azimutal flow in our kinematic mean field model. This non-kinematic alpha2Omega model was able to reproduce the tendency of the Prandtl number (Pm) to control the ratio of the modulation period. More specifically, we found an inverse relation between Pm and the ratio of the main magnetic cycle period to the grand minima occurrence period. Moreover, by analyzing a simulation of a length of 50,000 years, where aperiodic periods of grand minima and maxima are observed, we found a waiting time distribution (WTD) of the grand minima close to an exponential, a characteristic also observed in the reconstruction of the solar activity. Finally, the level of fluctuation in the surface differential rotation associated with epochs of grand minima is ~1%. This level of fluctuation was also observed in historical reconstructions of the surface differential rotation during the Maunder minimum.

Dans cette thèse nous étudions le comportement asymptotique de systèmes de particules en interaction de type champ moyen en espace discret, systèmes pour lesquels l'interaction a lieu par l'intermédiaire de la mesure empirique. Dans la première partie de ce mémoire, nous nous intéressons aux systèmes de particules de type Fleming-Viot: les particules se déplacent indépendamment suivant une dynamique markovienne jusqu'au moment où l'une d'entre elles touche un état absorbant. A cet instant, la particule absorbée choisit uniformément une autre particule et saute sur sa position. L'ergodicité du processus est établie dans le cadre de marches aléatoires sur N avec dérive vers l'origine et pour une dynamique proche de celle du graphe complet. Pour ce dernier, nous obtenons une estimation quantitative de la convergence en temps long à l'aide de la courbure de Wasserstein. Nous montrons de plus la convergence de la distribution empirique stationnaire vers une unique distribution quasi-stationnaire, quand le nombre de particules tend vers l'infini. Dans la deuxième partie de ce mémoire, nous nous intéressons au comportement en temps long et quand le nombre de particules devient grand, d'un système de processus de naissance et mort pour lequel les particules interagissent à chaque instant par le biais de la moyenne de leurs positions. Nous établissons l'existence d'une limite macroscopique, solution d'une équation non linéaire ainsi que le phénomène de propagation du chaos avec une estimation quantitative et uniforme en temps / In this thesis we study the asymptotic behavior of particle systems in mean field type interaction in discrete space, where the system acts over one fixed particle through the empirical measure of the system. In the first part of this thesis, we are interested in Fleming-Viot particle systems: the particles move independently of each other until one of them reaches an absorbing state. At this time, the absorbed particle jumps instantly to the position of one of the other particles, chosen uniformly at random. The ergodicity of the process is established in the case of random walks on N with a dirft towards the origin and on complete graph dynamics. For the latter, we obtain a quantitative estimate of the convergence described by the Wasserstein curvature. Moreover, under the invariant measure, we show the convergence of the empirical measure towards the unique quasi-stationary distribution as the size of the system tends to infinity. In the second part of this thesis, we study the behavior in large time and when the number of particles is large of a system of birth and death processes where at each time a particle interacts with the others through the mean of theirs positions. We establish the existence of a macroscopic limit, solution of a non linear equation and the propagation of chaos phenomenon with quantitative and uniform in time estimate

Les pièces métalliques constituant le circuit primaire des installations nucléaires sont élaborées par forgeage à chaud. Pendant ce procédé, les transformations microstructurales induites par la déformation et les recuits déterminent une partie des propriétés mécaniques des produits finaux. L’orientation de la microstructure lors du processus de fabrication nécessite une connaissance précise des mécanismes physiques qui opèrent dans le matériau. Dans le cas de la déformation à chaud de l’acier austénitique 304L, ces modifications microstructurales dépendent de la recristallisation dynamique discontinue (DDRX) et de la recristallisation post-dynamique (PDRX). L’objet de ce projet est : (i) l’étude de la DDRX et de la PDRX dans les conditions de déformation du procédé de forgeage, (ii) l’étude de l’influence d’un ajout de niobium sur ces mécanismes, (iii) la modélisation de ces mécanismes afin de prédire les caractéristiques de la microstructure (moyenne et distribution de la taille des grains) à l’issue d’un procédé multipasses. Dans le cadre de l’étude, les conditions de déformation rencontrées lors du forgeage à chaud sont reproduites à l’aide d’essais de torsion sur des matériaux modèles contenant des teneurs en niobium différentes. La caractérisation et la modélisation des microstructures a permis de comprendre les effets respectifs de la température, de la vitesse de déformation ainsi que de l’ajout de niobium sur les mécanismes de la DDRX et de la PDRX. Dans cette étude, une nouvelle approche semi-topologique de l’hypothèse champs moyens est développée afin de permettre la prédiction de distributions de la taille de grain cohérentes avec les données expérimentales. / Cooling system of nuclear power plants is constituted of metallic parts obtained by hot forging. Thus during the manufacturing process, the microstructural trans- formations induced by the deformation and annealing process define partially the mechanical properties of the final products. A sharp knowledge of the physical mechanisms generated within the material is required to handle the microstructure. In the case of hot deformation of 304L austenitic stainless steel, the microstructural modifications depend on the discontinuous dynamic recrystallization (DDRX) and the post-dynamic recrystallization (PDRX). The aim of this project is: (i) the study of the DDRX and the PDRX under the conditions of deformation inherent in the forging process, (ii) the study of the influence of niobium addition on these mechanisms, (iii) the modeling of these me- chanisms in order to predict the microstructure characteristics (mean grain size and distribution) following a multipass process. As part of the research, the deformation conditions experienced during the hot forging process are replicated through torsion tests with model materials containing various niobium concentrations. Characterization and modeling of microstructures enable to understand the respective e ects of temperature, strain rate as well as niobium addittion on the DDRX and PDRX mechanisms. In this study, a new topological approach of mean-field hypothesis is developed in order to allow the prediction of realistic grain size distributions.

La dynamique des liquides, considérés comme des systèmes de particules classiques fortement couplées, reste un domaine où les descriptions théoriques sont limitées. Pour l’instant, il n’existe pas de théorie microscopique partant des premiers principes et recourant à des approximations contrôlées. Thermodynamiquement, les propriétés statiques d’équilibre sont bien comprises dans les liquides simples, à condition d’être loin du régime vitreux. Dans cette thèse, nous résolvons, en partant des équations microscopiques du mouvement, la dynamique des liquides et verres en exploitant la limite de dimension spatiale infinie, qui fournit une approximation de champ moyen bien définie. En parallèle, nous retrouvons leur thermodynamique à travers une analogie entre la dynamique et la statique. Cela donne un point de vue à la fois unificateur et cohérent du diagramme de phase de ces systèmes. Nous montrons que cette solution de champ moyen au problème de la transition vitreuse est un exemple du scénario de transition de premier ordre aléatoire (RFOT), comme conjecturé il y a maintenant trente ans, sur la base des solutions des modèles de verres de spin en champ moyen. Ces résultats nous permettent de montrer qu’une invariance d’échelle approchée du système, pertinente pour les expériences et les simulations en dimension finie, devient exacte dans cette limite. / The dynamics of liquids, regarded as strongly-interacting classical particle systems, remains a field where theoretical descriptions are limited. So far, there is no microscopic theory starting from first principles and using controlled approximations. At the thermodynamic level, static equilibrium properties are well understood in simple liquids only far from glassy regimes. Here we derive, from first principles, the dynamics of liquids and glasses using the limit of large spatial dimension, which provides a well-defined mean-field approximation with a clear small parameter. In parallel, we recover their thermodynamics through an analogy between dynamics and statics. This gives a unifying and consistent view of the phase diagram of these systems. We show that this mean-field solution to the structural glass problem is an example of the Random First-Order Transition scenario, as conjectured thirty years ago, based on the solution of mean-field spin glasses. These results allow to show that an approximate scale invariance of the system, relevant to finite-dimensional experiments and simulations, becomes exact in this limit.

Here, we investigate different cell density-dependent migration strategies. In particular, we consider strategies which differ in the precise regulation of transitions between resting and motile phenotypes. We develop a lattice-gas cellular automaton (LGCA) model for each migration strategy. Using a mean-field approximation we quantify the corresponding spreading dynamics at the cell population level. Our results allow for the prediction of cell population spreading based on experimentally accessible single cell migration parameters.

Cellular automata (CA) are fully discrete dynamical systems. Space is represented by a regular lattice while time proceeds in finite steps. Each cell of the lattice is assigned a state, chosen from a finite set of "values". The states of the cells are updated synchronously according to a local interaction rule, whereby each cell obeys the same rule. Formal definitions of deterministic, probabilistic and lattice-gas CA are presented. With the so-called mean-field approximation any CA model can be transformed into a deterministic model with continuous state space. CA rules, which characterise movement, single-component growth and many-component interactions are designed and explored. It is demonstrated that lattice-gas CA offer a suitable tool for modelling such processes and for analysing them by means of the corresponding mean-field approximation. In particular two types of many-component interactions in lattice-gas CA models are introduced and studied. The first CA captures in abstract form the essential ideas of activator-inhibitor interactions of biological systems. Despite of the automaton´s simplicity, self-organised formation of stationary spatial patterns emerging from a randomly perturbed uniform state is observed (Turing pattern). In the second CA, rules are designed to mimick the dynamics of excitable systems. Spatial patterns produced by this automaton are the self-organised formation of spiral waves and target patterns. Properties of both pattern formation processes can be well captured by a linear stability analysis of the corresponding nonlinear mean-field (Boltzmann) equations.