L'objectif du projet de doctorat est le développement d'une procédure innovante de mesure et post-traitement des données pour obtenir des informations quantitatives sur les paramètres magnétiques de nanoparticules magnétiques individuelles par l'utilisation de la Microscopie à Force Magnétique (MFM). Les nanoparticules magnétiques (MNP), grâce à leurs propriétés magnétiques particulières (monodomaine, superparamagnétisme, etc.) et leur taille nanométrique, conviennent à plusieurs applications biomédicales, telles que les systèmes d'administration de médicaments, les traitements de hyperthermie magnétique, l'étiquetage cellulaire, les agents de contraste pour l'imagerie a résonance magnétique (IRM). La conception de ces techniques requiert une connaissance détaillée des propriétés magnétiques des nanomatériaux utilisès, comme l'aimantation de saturation Ms, le champ magnétique de saturation Hs, la coercivité Hc. Les techniques standard, comme les dispositifs supraconducteurs à interférence quantique (SQUID) ou la magnétomètrie à échantillon vibrant (VSM), permettent la détection des propriétés magnétiques globales des populations de nanoparticules. Mais la détection des propriétés magnétiques des particules isolées n'est pas possible et l'évaluation de ces propriétés en fonction de la taille des particules n'est pas explicite. Grâce à sa résolution latérale nanométrique et sa capacité à détecter des champs magnétiques faibles, MFM est un outil puissant pour la caractérisation de dimensions de nanoparticules isolées, ainsi que leurs propriétés magnétiques. Cependant, une méthodologie pour obtenir des informations quantitatives sur les caractéristiques magnétiques de nanoparticules isolées par MFM n'a pas été individualisée, principalement en raison de i) la complexité des interactions pointe-échantillon qui affectent les mesures MFM et qui produisent également des phénomènes non magnétiques (par exemple, des interactions électrostatiques), et ii) l’absence d'un modèle théorique décrivant les interactions magnétiques entre la pointe et une nanoparticule de manière cohérente avec les données expérimentales détectées. Pour exploiter toutes le potentialités de la technique MFM en tant qu'instrument de nanométrologie magnétique, la stratégie proposée et suivie dans ce projet est organisée en 4 phases:1) a vérification théorique et expérimentale et la rationalisation des problemes ouvertes limitant l'applicabilité de la MFM à la caractérisation magnétique quantitative des NP individuels; Dans cette phase, la présence d'artefacts électrostatiques a été individualisée comme principale limite responsable de l'incohérence entre les données expérimentales et les modèles théoriques décrivant les interactions tip-NP. 2) le développement d'un appareil instrumental et d'une procédure de mesure pour évaluer et éliminer les contributions non magnétiques (électrostatiques) affectant quantitativement les données MFM; 3) l'individuation d'un modèle théorique décrivant l'interaction magnétique pointe-NP, cohérente avec les données expérimentales, et capable d'établir une relation précise entre les données mesurées et les paramètres physiques à déterminer (magnétisation dans le cas spécifique); 4) le développement d'une procédure pour mesurer quantitativement les propriétés magnétiques, et eventuellement d'autres paramètres, de nanoparticules isolées par MFM. Les résultats obtenus avec les procédures et les méthodologies présentées dans cette thèse ont démontré la possibilité de réaliser des mesures magnétiques quantitatives sur des NP magnétiques individuelles par la plateforme technologique MFM. / The objective of the PhD project is the development of a innovative measurement procedure and a data post-processing method to obtain quantitative information about the magnetic parameters of single magnetic nanoparticles through the use of the Magnetic Force Microscopy (MFM) technique. Magnetic nanoparticles (MNPs), thanks to their particular magnetic properties (single domains, superparamagnetism, etc.) and their nanometric size, are thought to be suitable for several biomedical applications, such as drug delivery systems, magnetic hyperthermia treatments, cell labelling, contrast agents for Magnetic Resonance Imaging (MRI). The design of these techniques requires a detailed knowledge on the magnetic properties of the adopted nanomaterials, like the saturation magnetization Ms, the saturation magnetic field Hs, the coercivity Hc. Standard techniques, like Superconducting Quantum Interference Devices (SQUID) or Vibrating Sample Magnetometer (VSM), to allow the detection of global magnetic properties of nanoparticles populations. Nevertheless, the detection of magnetic properties of single particles is not possible and the evaluation of the particle size dependence is not explicit. Thanks to its nanometric lateral resolution and its capability to detect weak magnetic fields, MFM is a potential powerful tool for the characterization of single nanoparticles dimensions, together with their magnetic properties. However, a methodology to extract quantitative information about the magnetic characteristics of single nanoparticles through MFM has not been individuated, mainly because of the complexity of tip-sample interactions affecting MFM measurements, which produces also non magnetic phenomena (e.g. electrostatic interactions), and the lack of a theoretical model describing the magnetic tip-NP interactions consistently with the detected experimental data. In order to exploit all the potential capabilities of MFM as a magnetic nanometrology tool, the strategy proposed and followed in this project is organized in the following four phases: 1) the theoretical and experimental verification and rationalization of the open issues and the problems limiting the applicability of MFM to the quantitative magnetic characterization of single NPs; in this phase the presence of electrostatic artifacts has been individuated as the main limitation responsible for the inconsistency between experimental data and theoretical models describing the tip-NP interactions. 2) the development of an instrumental apparatus and a measurement procedure to evaluate and eliminate the non-magnetic (electrostatic) contributions quantitatively affecting the MFM data; 3) the individuation of a theoretical model describing the magnetic tip-NP magnetic interaction, coherent with the experimental data, and able to establish a precise relationship between the measured data and the physical parameters desired to be determined (magnetization in the specific case); 4) the development of a procedure to quantitatively measure the magnetic properties, and eventually other parameters, of single nanoparticles by MFM. The results obtained with the procedures and methodologies presented in this thesis demonstrated the possibility of performing quantitative magnetic measurements on single magnetic NPs by MFM technology platform. / L'obiettivo del progetto di dottorato è lo sviluppo di una procedura di misura innovativa e di un metodo di elaborazione dei dati al fine di ottenere informazioni quantitative sui parametri magnetici di singole nanoparticelle magnetiche attraverso l'uso della Microscopia a Forza Magnetica MFM. Le nanoparticelle magnetiche (MNPS), grazie alle loro particolari proprietà magnetiche (singolo dominio, superparamagnetismo, etc.) e le loro dimensioni nanometriche, stanno recentemente trovando grande applicazione in diverse tecniche in campo biomedico, come i sistemi di somministrazione mirata di farmaci, trattamenti di tumori tramite ipertermia magnetica, l'etichettatura cellulare, gli agenti di contrasto per la risonanza magnetica nucleare (MRI). Il design e l’ottimizzazione di queste tecniche richiede una conoscenza dettagliata delle proprietà magnetiche dei nanomateriali adottati, come la magnetizzazione di saturazione Ms, il campo magnetico di saturazione Hs, la coercitività Hc. Le tecniche standard, come i Superconducting Quantum Interference Devices (SQUID) o i magnetometro a vibrazione del campione (VSM), consentono il rilevamento delle proprietà magnetiche globali di numerose popolazioni di nanoparticelle. Ma il rilevamento delle proprietà magnetiche di singole particelle non è possibile e la valutazione di queste proprietà in dipendenza della dimensione delle particelle non è esplicito. Grazie alla risoluzione laterale nanometrica e la sua capacità di rilevare i campi magnetici deboli, la tecnica MFM rappresenta uno strumento ad elevato potenziale per la caratterizzazione delle proprietà magnetiche di singole nanoparticelle, insieme alle loro dimensioni. Tuttavia, un metodo per estrarre informazioni quantitative sulle caratteristiche magnetiche di singole nanoparticelle attraverso la tecnica MFM non è stato individuato, soprattutto a causa della complessità delle interazioni punta-campione che interessano le misurazioni e che possono dare luogo anche a contributi non magnetici (ad esempio interazioni elettrostatiche), e alla mancanza di un modello teorico in grado di descrivere le interazioni magnetiche punta-NP in modo coerente con i dati sperimentali rilevati. Al fine di individuare e superare i limiti della tecnica MFM che ne limitano l’utilizzo come strumento nanometrologico magnetico, la strategia proposta e seguita in questo progetto di dottorato è organizzata nelle seguenti 4 fasi: 1) la verifica teorica e sperimentale e la razionalizzazione delle problematiche che limitano l'applicabilità della tecnica MFM alla caratterizzazione magnetica quantitativa di singole NP; in questa fase la presenza di artefatti elettrostatici è stato individuata come il principale limite responsabile per la riscontrata l'inconsistenza tra i dati sperimentali e modelli teorici che descrivono le interazioni tip-NP. 2) lo sviluppo di un apparato strumentale e una procedura miosura per la valutazione ed eliminazione dei contributi elettrostaticie non magnetici che influiscono quantitativamente sui dati MFM; 3) l'individuazione di un modello teorico che descrive l'interazione magnetica punta-NP coerentemente con i dati sperimentali, e in grado di stabilire una relazione precisa tra i dati misurati e i parametri fisici che si desiderano misurare (magnetizzazione nel caso specifico); 4) lo sviluppo di un procedimento per misurare quantitativamente le proprietà magnetiche, ed eventualmente altri parametri, di singole nanoparticelle tramite MFM. I risultati ottenuti con le procedure e le metodologie presentate in questa tesi hanno dimostrato la possibilità di effettuare misure magnetiche quantitative su singole NP magnetiche facendo uso della piattaforma tecnologica MFM.

La mémoire épisodique permet de se souvenir d’évènements dans leur contexte spatio-temporel. Les données issues de la neuroimagerie fonctionnelle ont mis en évidence que les régions préfrontales gauche et droite sont activées lors de l’encodage et de la récupération en mémoire épisodique, et ceci même lors de tâches mnésiques relativement simples. Sur la base de ces données, il est attendu que des patients présentant une atteinte frontale devraient présenter des déficits mnésiques. Or, de tels patients ont des performances déficitaires spécifiquement lors de tâches mnésiques complexes. Cette divergence quant à l’implication du cortex préfrontal pourrait s’expliquer par le fait que les activations obtenues à partir des techniques de neuroimagerie fonctionnelle sont le reflet de changements hémodynamiques : elles ne signifient pas que les régions activées soient essentielles au fonctionnement mnésique. La technique des Stimulations Magnétiques Transcrâniennes (SMT) permet de contourner certaines de ces limites et permet d’étudier, d’une manière sécuritaire, l’implication d’une région cérébrale donnée dans une fonction cognitive. Selon les paramètres de stimulations appliquées, il est possible d’interférer ou de faciliter les processus neuronaux d’une région donnée. Après une revue de la question et des principaux enjeux théoriques (Chapitre 1), l’objectif principal de la thèse, détaillé au Chapitre 2, était d’étudier le rôle des régions préfrontales dorsolatérales (CPFDL) en encodage et en récupération épisodique selon la nature verbale ou non-verbale du matériel à traiter et ce, à l’aide des effets inhibiteurs et facilitateurs que peuvent induire les SMT. Les bases neuronales de la mémoire épisodique ont donc été étudiées chez de jeunes adultes en santé dans le cadre de deux études originales, présentées aux Chapitres 3 et 4 de la thèse. En induisant des effets d’interférence avec les SMT, la première étude de la thèse a permis de démontrer le rôle essentiel des CPFDL gauche et droit lors de la mise en jeu des processus d’encodage et de récupération de matériel verbal et non-verbal. Les données d’une seconde étude, tablant sur les effets de facilitation des SMT, ont indiqué qu’il est possible d’améliorer le fonctionnement de la mémoire épisodique lorsque des SMT sont appliquées au niveau des CPFDL gauche et droit durant l’encodage ou la récupération. Les résultats des deux études de la thèse sont analysés à la lumière des données issues d’approches complémentaires lors du Chapitre 5. / Data from neuroimaging studies show right and left prefrontal cortex (PFC) activations during episodic encoding and retrieval. However, because functional neuroimaging findings rely on metabolic/hemodynamic indices, even if activations suggest that the activated areas are involved in a cognitive task; this does not necessarily mean that the activated regions are functionally crucial to episodic memory. Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a brain stimulation technique that can transiently and safely interfere with ongoing neuronal activity in a targeted region. Depending on the stimulation parameters, it is possible to interfere with, or facilitate, neuronal activity. The first chapter of this thesis reviews current and past literature about on the prefrontal regions and its relation to episodic memory and different technique. This review lays the ground for the main objective (detailed in Chapter 2): to study the critical role of the dorsolateral PFC (DLPFC) in episodic encoding and retrieval processes, according to the nature of the material (verbal or non-verbal). Two original empirical investigations are included in this thesis. The first article (Chapter 3) highlights how the left and right DLPFC are essential for the encoding and retrieval of verbal and non-verbal information. The second article (Chapter 4) uses the potential facilitation effect of TMS for augmenting memory efficiency in young and healthy adults and actually showed that it is possible to improve the efficiency in episodic memory with TMS. These studies contribute to a better understanding of the role of the DLPFCs in episodic memory and promote TMS as a safe and efficient way to study human memory. Results of both studies are discussed in Chapter 5 in the light of data from other approaches.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / INTRODUCTION : Le syndrome d'abutement est une problématique qui touche plus 40% des personnes au courant de la vie. En clinique, les personnes souffrant d'un syndrome d'abutement présentent, entre autres, une altération du contrôle du trapèze supérieur et de la scapula lors de l'élévation de l'épaule. Toutefois, les mécanismes neurologiques qui sous-tendent ces altérations demeurent peu étudiés. MÉTHODOLOGIE : Quinze participants avec syndrome d'abutement et quinze participants contrôles en santé ont été recrutés. L'analyse de l'intégration des informations proprioceptives par la vibration tendineuse qui induit des illusions de mouvements, ainsi que l'excitabilité du cortex moteur primaire par la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) ont permis de collecter des données en lien avec le contrôle sensorimoteur de l'épaule. RÉSULTAT : Les résultats ont permis de constater une altération du traitement proprioceptif dans le groupe avec syndrome d'abutement. Les résultats avec la vibration tendineuse ont démontré une perception de la vitesse/amplitude plus lente (p = 0.035) du côté douloureux versus non-douloureux. Les données de la SMT furent limitées par des seuils moteurs au repos trop élevés, en particulier au sein du groupe avec syndrome d'abutement au niveau de l'hémisphère du côté de l'épaule douloureuse. CONCLUSION: Notre étude apporte de nouvelles évidences concernant l'intégrité du traitement des informations proprioceptives chez les personnes souffrant d'un syndrome d'abutement et encourage les prochaines recherches à déterminer de meilleures approches méthodologiques chez ce type de patients dans le but de collecter des données SMT sans en augmenter les symptômes douloureux. / BACKGROUND: The subacromial impingement syndrome (SIS) is among the most prevalent cause of shoulder pain and disability. Lacking sensorimotor control of the shoulder complex is likely contributing to subacromial impingement syndrome. To further understand neural mechanisms involved in these sensorimotor alterations, the present study tested the integrity of movement-processing and motor control networks in persons with subacromial impingement syndrome. METHODS: Fifteen participants with subacromial impingement syndrome and fifteen healthy counterparts were recruited. Proprioceptive processing was tested by tendon vibration (VIB) inducing kinesthetic illusions of shoulder abduction, and transcranial magnetic stimulation (TMS) to test corticospinal excitability for the control of shoulder. RESULTS: Participants in subacromial impingement syndrome and healthy groups had similar baseline characteristics, except for their level of shoulder pain and disability. They reported similar movement illusions in terms of clearness, direction and success rate. However, they were of significantly (p = 0.035) lower speed/amplitude on the painful side of participants with subacromial impingement syndrome versus the non-painful one. Collecting TMS data was challenged by the high motor thresholds, especially for the painful shoulder of SIS patients, that caused discomfort and fear of pain. CONCLUSION: Our study provided novel evidence on the integrity of proprioceptive coding in persons living with SIS and encourages future work to determine the best methodological procedures for increasing the relevance and success-rate of TMS in contexts of musculoskeletal disorders.

Les hydrogels sont des polymères de plus en plus utilisés dans le domaine des biomatériaux. À cause de leur faible différence de densité avec le milieu environnant, ils sont difficiles à visualiser en imagerie par résonnance magnétique (IRM). Des agents de contraste sont couramment utilisés pour faciliter la distinction entre les tissus pendant la visualisation en IRM. L'objectif de ce projet de thèse est donc de développer un agent de contraste paramagnétique et de l'encapsuler dans des hydrogels afin d'en permettre la visualisation en IRM. Des nanoparticules de silice mésoporeuses (MSN) ont été synthétisées et fonctionnalisées avec un agent de contraste cliniquement approuvé, le DTPA-Gd (acide diethylènetriamine pentaacetique complexé avec du gadolinium). Ces nanoparticules ont été caractérisées et leurs propriétés relaxométriques ont été mesurées. Le ratio r2/r1 = 1.46 démontre leur efficacité comme agent de contraste "positif". Ces nanoparticules sont ensuite encapsulées dans des hydrogels biocompatibles par différentes stratégies : dans un hydrogel de poly (éthylène glycol) (PEG) par agitation, ou dans un hydrogel d'alginate par émulsion dans un réacteur. Ces produits ont ensuite été mis en forme, respectivement pour des applications en chirurgie interventionnelle pour des aiguilles de biopsies et en microencapsulation pour le traitement du diabète de type 1. Les performances relaxométriques de l'hydrogel de PEG ont été confirmées par NMRD (Nuclear Magnetic Relaxation Dispersion) à différents champs magnétiques. Cet hydrogel a ensuite été déposé par trempage-retrait sur des substrats de titane simulant des aiguilles de biopsie. Les substrats ont été préalablement lavés et fonctionnalisés avec du phosphate acrylate. En modulant la viscosité à l'aide d'un agent gélifiant, un hydrogel de PEG de 40 à 70 µm d’épaisseur a été obtenu en surface de tubes de titane. Les aiguilles recouvertes ont révélé un contour brillant en IRM. Des séquences d’acquisition en gradient d’écho de moins de 3 min ont permis d’obtenir un rehaussement de signal de 178% par rapport à l’eau. Pour les hydrogels d'alginate, un rehaussement de contraste jusqu'à 113 % a été quantifié par rapport aux billes sans agent de contraste, avec une séquence d'écho de spin de 4 min. Un suivi par IRM sur plusieurs mois a aussi permis de confirmer que les deux hydrogels ne relarguent pas de gadolinium au cours du temps. Ces résultats confirment la possibilité de suivre ces hydrogels à long terme sans perte de signal, ce qui est essentiel à la poursuite de procédures in vivo. Ce travail présente donc des hydrogels paramagnétiques à fort rehaussement de contraste en IRM grâce à l'insertion de nanoparticules de silice mésoporeuses fonctionnalisées avec un agent de contraste. Les résultats obtenus démontrent l'efficacité des MSN-DTPA-Gd encapsulées dans des hydrogels pour visualiser ces derniers par IRM. Ces travaux permettront une visualisation des hydrogels à long terme après implantation dans le corps humain. / Hydrogels are polymers increasingly used in the field of biomaterials. Due to their low density difference with the surrounding middle, they are very difficult to visualize with magnetic resonance imaging (MRI). Contrasts agents are widely used in MRI to differentiate the different biological tissues during the imaging. The main objective of this project was the development of a paramagnetic contrast agent trapped in biocompatible hydrogels enabling their visualization in MRI. Mesoporous silica nanoparticles (MSN) were synthesized and functionalized with a clinically approved contrast agent, DTPA-Gd (gadolinium-diethylenetriamine pentaacetic acid). The nanoparticles were characterized and their relaxometric properties were evaluated. The r2/r1 relaxometric ratio of 1.46 revealed an efficient “positive” MRI contrast agent. Then, different entrapment strategies were performed in biocompatible polymers forming hydrogels: in a poly (ethylene glycol) (PEG) hydrogel (by stirring) or in an alginate hydrogel (by emulsion). These products were designed for applications in interventional surgery for biopsy needles and in microemulsion for type 1 diabetes treatment, respectively. The relaxometric performances of the PEG hydrogel were assessed by NMRD (Nuclear Magnetic Relaxation Dispersion) at different magnetic field strengths. Then, the paramagnetic hydrogel was coated on titanium substrates as substitute of biopsy needles. The substrates were cleaned and functionalized with phosphate acrylate prior to dip-coating. With a thickening agent in the suspension, PEG hydrogels of 40 to 70 µm were deposited on titanium tubes. These samples showed bright outline in MRI. A signal enhancement of 178 %, in regard with water, was obtained with gradient echo sequences shorter than 3 min. For the alginate hydrogels, beads with contrast agent showed a contrast 113 % enhanced, compared to beads without contrast agents, with a spin echo sequence of 4 min. MRI monitoring over months was done to confirm the persistence of the nanoparticles entrapment in both the PEG and alginate hydrogels. These results settled the possibility to use these hydrogels in the long term with no signal decrease, which is essential for in vivo processes. This work introduced paramagnetic hydrogels with a high contrast enhancement in MRI due to the entrapment of mesoporous silica nanoparticles functionalized with a contrast agent. Results confirmed the efficiency of the MSN-DTPA-Gd trapped in the hydrogels to visualize them in MRI. This work could lead to a long term visualization of hydrogels after implantation in the body.

Dans l’industrie laitière, la présence de bactériophages dans du lait destiné à la fabrication de fromage peut retarder ou arrêter le processus de fermentation par les bactéries lactiques. La bactérie Lactococcus lactis, largement utilisée comme levain de départ, est la proie de plusieurs de ces virus, dont le phage p2, du groupe sk1-like de la famille des Siphoviridae. À ce jour, le mécanisme d’infection des bactériophages reste incompris. La prise de contrôle de la machinerie cellulaire par les phages est assurée par les gènes précoces et médians de ces derniers. La structure du phage p2 est connue, mais ses gènes précoces et médians codent pour des protéines qui ne possèdent pas d’homologues de structure ou de fonction connue. Ces gènes ont été clonés dans des systèmes d’expression bactériens afin de les exprimer, purifier, et en déterminer la structure par cristallographie aux rayons X. Parallèlement, la protéine codée par le gène orf47 a été synthétisée commercialement pour déterminer sa structure par résonance magnétique nucléaire. Nous espérons que l'obtention de la structure de ces protéines aidera à leur suggérer un rôle par recherche d’homologie structurale avec des protéines de rôle connu. Des cristaux ont été obtenus pour les protéines ORF-24, SaV (exprimée du gène orf26) et ORF-37, mais plus de travaux sont nécessaire afin de pouvoir obtenir leur structure. La structure d’ORF-47 a été déterminée par résonance magnétique nucléaire et démontre une homologie structurale avec les domaines B, C et E de la protéine staphylococcale SpA, domaines liant les immunoglobulines G de l’homme. La liaison de protéines similaires chez L. lactispar ORF-47 reste à être vérifié expérimentalement. / Cheese fermentation is a process in which milk is fermented by the Gram-positive bacteria Lactococcus lactis. However, the fermentation can be slowed or even stopped if specifi lactococcal bacteriophages are present in the medium. To this day, the infection mechanism of bacteriophages is still not fully known. The hijacking of the cell’s molecular machinery is carried out by proteins expressed by the phages’ early- and mid-expressed genes. The phage studied in this thesis is phage p2, of the Caudovirales order, Siphoviridae family and sk1-like group. The structure of phage p2 is known, but most early-and mid-expressed proteins do not have homologues of known structure or function in the public databases. These genes were cloned in a bacterial expression system in order to be expressed and the proteins purified and crystallized to determine their structure by X-ray crystallography. The protein encoded by the gene orf47 was commercially synthesized to be studied by nuclear magnetic resonance. Our overall goal is to suggest roles for these proteins by obtaining their structure and performing a structural homology query. Crystals were obtained for the proteins ORF-24, SaV (expressed from the gene orf26) and ORF-37 but more work is required in order to determine their structure. The structure of ORF-47 was obtained by nuclear magnetic resonance and has been found to have a fold highly similar to domains B, C and E of staphylococcal protein SpA. These domains bind human immunoglobulin G. The binding of similar proteins in L. lactis by ORF-47 has yet to be experimentally confirmed.

Le virus de la mosaïque de la papaye (PapMV) est un virus filamenteux flexible dont son unique protéine structurale est la protéine de capside (CP), composée de 215 acides aminés. La structure tertiaire de cette protéine, tout comme celle de ses homologues, n'est pas connue. Le but de ce projet est de caractériser la structure et la dynamique de la PapMV CP par RMN multidimensionnelle. Afin d'y arriver, une forme de protéine utilisable pour la RMN, d'un poids moléculaire évitant d'outrepasser les 30 kDa, a d'abord été identifiée : la PapMV CP27-215. Un protocole d'expression à haut rendement a été développé et nous avons marqué cette protéine avec le 15N et le 13C, ce qui impliquent une expression en milieu minimum. La RMN est aussi une méthode qui exige une très grande pureté de la protéine. Par conséquent, une approche de purification efficace a été développée. En plus d'une protéine pure et marquée, la RMN exige que celle-ci soit soluble, concentrée et stable. Ces exigences ont été répondues afin de répondre à l'objectif premier de ce projet.

Ces dernières années, les paliers magnétiques sont de plus en plus exploités dans des applications diverses. Ils sont généralement utilisés dans des applications à très haute vitesse de rotation, dans lesquelles la minimisation des pertes est requise pour éviter la pollution d’un environnement sensible à la poussière ou à un lubrifiant pour supprimer les vibrations et pour limiter la maintenance. Cette thèse présente l’étude de deux configurations de centreurs magnétiques  centreurs magnétiques actifs et hybrides polarisés utilisés dans un système de stockage d’énergie de longue durée par volant d’inertie. Dans plusieurs applications utilisant les centreurs magnétiques, les pertes magnétiques sont généralement négligées. Dans une application de stockage d’énergie de longue durée, toute source de pertes doit être prise en compte lors du dimensionnement de ces derniers. Nous avons proposé une méthode de calcul de pertes dans les deux configurations de centreurs supportant un volant d’inertie soumis à une force radiale de balourd. Après comparaison il en est ressorti que le centreur magnétique hybride polarisé présente moins de pertes Joule que le centreur magnétique actif, tandis que les pertes magnétiques du centreur magnétique actif sont inférieures à celles des centreurs hybrides polarisés. Le temps de décharge du volant supporté par les centreurs actifs est très inférieur à celui du volant supporté par les centreurs hybrides polarisés. Pour une application de stockage de longue durée, l’utilisation des centreurs magnétiques polarisés selon notre étude semble la plus appropriée. De même, notre étude a montré que le stockage d’énergie par volant d’inertie favorise les hautes vitesses de rotation, et ce quelle que soit la configuration de centreur utilisée. En d’autres termes, le temps de décharge du volant augmente avec la vitesse maximale d’opération du volant. / Nowadays, magnetic bearings are increasingly used in diverse applications. They are generally used in high speed rotating systems where low losses are requested, to avoid dust or lubricant in sensitive environments, for vibration elimination and to limit maintenance. This thesis presents the study of two magnetic bearings configurations  radial active magnetic bearings and hybrid radial magnetic bearings used in a long term flywheel energy storage system. In several applications involving magnetic bearings, iron losses are usually neglected. In a long term energy storage application every single loss has to take into account when designing the latters. We have proposed a loss calculation method of two magnetic bearings configurations supporting a flywheel submitted to an unbalance radial force. After some comparisons it emerges that hybride radial magnetic bearings present lower copper losses than active radial magnetic bearings, while iron losses are lower in active magnetic bearings than in hybride magnetic bearings. The flywheel discharge time supported by radial active magnetic bearings is much lower than the one supported by hybrid radial magnetic bearings. According to our study, utilization of hybrid radial magnetic bearings in long term energy storage seems to be more appropriated. Likewise, our study has shown that no matter the configuration of magnetic bearing used, flywheel energy storage promote the high rotating speeds. In other words the discharge time increases with the flywheel’s maximum operating speed.

Plusieurs problèmes dans le placement d'endoprothèses sont dus à une compréhension pré-opératoire limitée de l'état du patient. La plupart des patients souffrent de l'arthrite rhumatoïde, ce qui affect la qualité et la forme de l'os en question: souvent la cavité glénoïde de l'omoplate s'est rétractée. Le plan de l'opération doit être planifiée à l'aide d'images Roentgen 2-D. Pendant la chirurgie, l'espace de travail de l'opération est très limité, seule la surface articulaire du scapula est exposée. Le patient est placé sur le côté, avec l'épaule endommagé pointant vers le haut, ce qui entraine un glissement vers le bas de l'omoplate. Pendant la chirurgie, la technique la plus souvent utilisée implique l'enlèvement du cartilage restant, le moulage de la forme de l'endoprothèse dans l'os trabeculaire, l'application d'une certaine quantité de ciment d'os, le placement de l'endoprothèse et l'insertion de vis pour une fixation préliminaire. D'autres préfèrent approcher l'espace d'opération du côté arrière du patient en fendant le scapula en deux. La technique préférée est de supporter l'endoprothèse sur l'os corticale et d'essayer de rétablir une position et une orientation fonctionnelles. Une prothèse faite sur mesure est donc nécessaire en plus d'une bonne vue de l'omoplate. La segmentation automatique des structures osseuses dans les bases de données agiographiques IRM est une étape préliminaire essentielle pour la plupart des tâches de visualisation et d'analyse. Afin d'obtenir une meilleure compréhension de l'épaule en santé et de l'épaule arthrosique pathologique, ce projet développera une méthode pour la segmentation des structures de l'épaule à partir de bases de données de l'IRM. Le développement de techniques convenables pour la segmentation du scapula et de l'humérus dans une base de données bidimensionnelle de l'IRM constitue une partie majeure de ce projet. Actuellement nous nous penchons sur des techniques de segmentation basées sur les contours, c'est-à-dire un point de l'os est défini d'abord. Les contours de l'os sont extraits dans une deuxième étape. / Image segmentation is an important area in the general field of image processing and computer vision. It is a fundamental part of the 'low level' aspects of computer vision and has many practical applications such as in medical imaging, industrial automation and satellite imagery. Traditional methods for image segmentation have approached the problem either from localization in class space using region information, or from localization in position, using edge or boundary information. More recently, however, attempts have been made to combine both region and boundary information in order to overcome the inherent limitations of using either approach alone. The shoulder has the widest range of motion than any joint in the body. Normally, shoulder stability is maintained through complex interaction between static and dynamic stabilizing mechanisms, including the bony glenoid, the labrum, the glenohumeral ligaments and joint capsule, and the muscles and tendons of the rotator cuff. Due to the complicated mechanisms involved in glenohumeral stability, a clinical evaluation can be very challenging. The primary motivation behind this research is to improve the accurate clinical evaluation of shoulder pathology. In this thesis, a new approach to image segmentation is presented that integrates region and boundary information. Our ultimate goal is to develop a framework for integrating boundary finding and region-based segmentation. This would lead to a System where the two modules would operate respectively so that at each step the outputs of each module get updated using information from the outputs of both the modules from the previous iteration. The main objective we present in this thesis is aimed at using the results of boundary detection to assist region-based segmentation. Unlike most of other existing methods, it integrates boundary-based segmentation with region growing rather than edge detection, thereby making it resistant to the problems of false and broken edges while at the same time having well localized boundaries. This method is successful in segmenting the set of slices of MR images of the shoulder. The experiments show that the results given by the method archive 96.32% correspondence to results given by a specialist does segment manually.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Le vieillissement cérébral entraine certaines modifications physiologiques. Lorsque ces changements neurodégénératifs surpassent ou diffèrent de ceux attendus pour l'âge, ils sont souvent accompagnés de manifestations cliniques. On parle alors d'étiologies comme la maladie d'Alzheimer (MA) et la démence vasculaire, causes les plus communes de troubles cognitifs associés au vieillissement, et dont la prévalence augmente avec le vieillissement de la population. Le seuil pathologique entrainant ces maladies est toutefois incertain. Il s'avère donc essentiel d'identifier des biomarqueurs capables de détecter précocement les individus à risque de les développer. De par sa précision, son absence de radiations, et sa disponibilité, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une modalité de choix pour répondre à ce besoin. L'objectif général de cette thèse est de procéder à la caractérisation radio-histologique du vieillissement cérébral normal et pathologique afin d'en identifier les premiers signes grâce à l'IRM cérébrale in vivo. Ce travail doctoral s'articule autour de deux objectifs plus spécifiques. Le premier est dédié à l'identification de la pathologie associée à la MA à partir de l'IRM cérébrale. Le Chapitre 1 vise d'abord à établir les trouvailles à l'IRM cérébrale pré-mortem et leur corrélat histologique post-mortem dans la MA et ses principales comorbidités. Le Chapitre 2 évalue la performance d'un modèle prédictif de la dégénérescence neurofibrillaire à partir des mesures volumétriques à l'IRM cérébrale. En second, on s'intéresse aux changements cérébrovasculaires qui jouent un rôle important dans le développement des démences, dont la MA. Le Chapitre 3 examine ainsi les lésions histologiques cérébrovasculaires chez les sujets adultes normaux afin de mieux caractériser les changements attendus en fonction de l'âge. Finalement, le Chapitre 4 s'attarde à l'étude des facteurs cliniques prédicteurs du stade pathologique de la maladie cérébrale des petits vaisseaux amyloïde et non-amyloïde, deux entités communes associées au vieillissement et au développement de troubles cognitifs. En sommes, cette thèse contribue à une meilleure définition radio-histologique des lésions cérébrales associées au vieillissement avec une attention particulière portée aux formes communes de démences. Une compréhension bonifiée des mécanismes physiopathologiques à l'origine des troubles cognitifs et une identification précoce des lésions caractéristiques grâce à l'imagerie cérébrale sont des étapes nécessaires à une prise en charge optimale et au développement de thérapies ciblées visant à atténuer le fardeau associé à ces maladies dévastatrices. / Brain aging is characterized by various physiological alterations. When these neurodegenerative changes exceed or differ from those normally expected for age, they are often accompanied by clinical manifestations. One talks then of conditions such as Alzheimer's disease (AD) and vascular dementia, the two most common aetiologies of age-related cognitive impairment, and whose prevalence increases as the population ages. However, the pathological threshold for developing these diseases remains uncertain. It is therefore essential to identify biomarkers capable of detecting individuals at risk of developing cognitive disorders early in the disease process. Magnetic resonance imaging (MRI), because of its accuracy, safety and relatively wide availability, seems to be an ideal modality to meet this need. Thus, the main objective of this thesis is to provide radio-histological characterization of normal and pathological brain aging in order to identify signs of decline using in vivo brain MRI. This doctoral work is articulated around two more specific objectives. The first one is dedicated to the identification of AD-related pathology from brain MRI. The article in Chapter 1 aims to establish pre-mortem brain MRI findings and their post-mortem histological correlates in AD and related comorbidities. The second article in Chapter 2 evaluates the performance of a predictive model for neurofibrillary degeneration based on brain MRI metrics. The second part of this thesis focuses on cerebrovascular changes that play an important role in the development of dementias, including AD. The third paper in Chapter 3 therefore examines cerebrovascular histological lesions in normal adults in order to better characterize the expected age-dependent changes. Finally, the fourth article in Chapter 4 examines clinical predictors of pathological amyloid and non-amyloid cerebral small vessel disease, two common entities associated with aging and cognitive decline. Altogether, the results from this thesis contribute to a better radio-histological definition of brain lesions associated with aging in pathological and non-pathological states, with a particular focus on the common forms of dementia, i.e. AD and vascular dementia. A better understanding of pathophysiological mechanisms underlying cognitive disorders and early identification of characteristic lesions are mandatory to warrant optimal management and development of targeted therapies with the ultimate goal to reduce the global burden associated with these devastating diseases.

Introduction : Le jeu pathologique est décrit par un comportement excessif de jeu d’argent et de hasard qui peut mener à des conséquences négatives multiples pour le sujet affecté, son entourage et la société. Il fait maintenant partie dans le Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders-5 (DSM-5) de la catégorie « Troubles reliés à une substance et troubles addictifs » sur la base de caractéristiques partagées avec le trouble de dépendances aux substances. Par exemple, l’utilisation de méthodes d’investigation cérébrale avancées telles que l’imagerie par résonance fonctionnelle (IRMf) a permis de mettre en évidence la présence d’altérations de la connectivité fonctionnelle au repos notamment au niveau du réseau fronto-striatal chez les individus avec un trouble de dépendance. D’autre part, des études en spectroscopie par résonance magnétique (MRS) ont relevé des niveaux anormalement bas de métabolites neuronaux incluant le GABA, le glutamate+glutamine (Glx) et le N-acetyl-aspartate (NAA) au niveau des lobes frontaux chez les individus avec un trouble de dépendance. Enfin, les individus avec une dépendance présentent des déficits de prise de décision ainsi qu’un niveau de « craving » intense envers des stimuli liés à la substance ou à l’expérience désirée (ex. : le jeu). De manière intéressante, lorsqu’appliquée sur le cortex préfrontal, la stimulation transcrânienne en courant continu (tDCS) a démontré une modulation de la connectivité fonctionnelle au repos et des concentrations en métabolites neuronaux dans plusieurs structures du cerveau ainsi que l’amélioration de la prise de décision chez les volontaires sains et la diminution du craving dans plusieurs types de dépendances mais n’a jamais été appliquée chez les joueurs pathologiques. Objectifs : Ainsi cette thèse de doctorat comporte deux objectifs principaux. 1) Évaluer les effets neurobiologiques de la tDCS chez les joueurs pathologiques : connectivité fonctionnelle au repos (étude 1) et concentrations en métabolites neuronaux (étude 2). 2) Évaluer les effets comportementaux de la tDCS chez les joueurs pathologiques : craving (étude 1). Méthode : Pour les deux études, un devis expérimental croisé, randomisé et aveugle à deux niveaux a été conduit chez des participants joueurs pathologiques. Chaque participant a participé à deux visites. Lors de chacune de ces deux visites, une session d’IRM combinée à la tDCS a eu lieu pendant laquelle des mesures de connectivité fonctionnelle au repos et de mesures de MRS ont été acquises. La tDCS a été appliquée bilatéralement sur le cortex préfrontal (anode à droite, cathode à gauche) pendant 30 min à 1 mA. Le craving a été mesuré avant et après chaque session. L’étude 1 a révélé que la tDCS active comparée à la tDCS placébo induit une modulation de la connectivité fonctionnelle au repos du cortex préfrontal. Notamment, une diminution de la connectivité fonctionnelle entre structures frontales distinctes et au niveau des réseaux fronto-pariétal a été observée pendant la tDCS active chez les joueurs pathologiques. Cette étude a aussi montré que la tDCS n’entraîne pas de changement des comportements de craving. L’étude 2 a révélé que la tDCS active comparée à la tDCS placébo augmente le niveau de GABA préfrontal mais n’engendre pas de modulation des concentrations de Glx et NAA au niveau préfrontal ni du Glx, GABA ou NAA au niveau striatal. De plus, les résultats de cette étude suggèrent que les joueurs pathologiques présentant des niveaux plus élevés de prise de risque, impulsivité et craving sont plus aptes à répondre à la stimulation. Conclusion : Les études composant cette thèse de doctorat ont permis d’approfondir les connaissances sur les effets neurobiologiques de la tDCS chez les joueurs pathologiques. En effet, différents substrats neuronaux connus comme étant associés aux symptômes du jeu pathologique ont pu être modulés grâce à la tDCS, suggérant que cet outil pourrait avoir un intérêt thérapeutique chez cette population. Néanmoins, les effets bénéfiques d’appliquer la tDCS pour diminuer le craving chez cette population restent à être démontrés. Par conséquent, des études ultérieures doivent être réalisées pour vérifier cette hypothèse, ainsi que des essais cliniques employant des protocoles connus comme ayant des résultats bénéfiques dans plusieurs maladies psychiatriques telles que des sessions répétées de tDCS étalées sur une période de temps. Mots-clés : Jeu pathologique - stimulation transcrânienne en courant continu - imagerie par résonance magnétique fonctionnelle - connectivité fonctionnelle au repos - spectroscopie par résonance magnétique - craving / Introduction: Gambling Disorder is described by engaging in compulsive and excessive gambling behaviors that can lead to multiple negative consequences for the affected individual, his or her entourage and society. Gambling disorder is now included in the category of "Substance-Related Disorders and Addictive Disorders" in the Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders-5 (DSM-5), based on shared characteristics with substance use disorders. For example, the use of advanced cerebral investigation methods such as functional magnetic resonance imaging (fMRI) has made it possible to demonstrate the presence of abnormal patterns of resting state functional connectivity, particularly in the fronto-striatal network in individuals with an addictive disorder. Moreover, magnetic resonance spectroscopy (MRS) studies have found abnormally low frontal lobe levels of neuronal metabolites including GABA, glutamate+glutamine (Glx) and N-acetyl-aspartate (NAA) in individuals with an addictive disorder. Finally, individuals with an addictive disorder are described by impaired decision-making as well as high levels of craving towards stimuli related to the desired substance or in this case, gambling. Interestingly, when applied over the prefrontal cortex, transcranial direct current stimulation (tDCS) stimulation has shown to modulate resting state functional connectivity and neuronal metabolites levels in several brain structures as well as improve decision-making in healthy volunteers and decrease levels of craving in substance use disorders but has never been used in gambling disorder. Objectives: Thus, the present doctoral thesis has two main objectives. 1) Evaluate the neurobiological effects of tDCS in subjects with gambling disorder: resting functional connectivity (study 1) and neuronal metabolites levels (study 2). 2) Evaluate the behavioral effects of tDCS in subjects with gambling disorder: craving (study 1). Methods: For both studies, we used a crossover, randomized and blinded at 2-levels study was conducted with subjects with gambling disorder. Each subject participated in two visits. During each of the two visits, a combined MRI/tDCS session took place during which measures of resting functional connectivity and MRS measurements were acquired. tDCS was applied bilaterally over the prefrontal cortex (anode right/cathode left) during 30 min at 1mA. In addition, craving was measured before and after each MRI/tDCS session. Study 1 revealed that active compared with sham tDCS induces a decrease in resting state functional connectivity between distinct frontal structures and over fronto-parietal networks. This study also showed that a single session of active compared with sham tDCS does not modulate craving levels. Study 2 revealed that active compared with sham tDCS increases prefrontal GABA levels but does not modulate prefrontal Glutamate and NAA levels nor striatal Glutamate, GABA or NAA levels. The results of this study also suggest that subjects with gambling disorder who display greater level of risk taking, impulsivity and craving are more likely to respond to tDCS. Conclusion: The two studies included in the doctoral thesis here presented have contributed to a deeper understanding of the neurobiological effects of tDCS in gambling disorder. Indeed, various neuronal substrates known to be associated with the symptoms of pathological gambling were modulated by tDCS, implying that this tool could have a therapeutic interest in this clinical population. Nevertheless, the beneficial effects of applying tDCS in order to reduce risk-taking and craving in this population remain to be demonstrated. Therefore, further studies have to be carried out to verify this hypothesis, as well as clinical trials employing protocols known to have beneficial results in several psychiatric diseases such as repeated tDCS sessions spread over a period of time. Key-words: Gambling disorder - transcranial direct current stimulation - functional magnetic resonance imaging - resting state functional connectivity - magnetic resonance spectroscopy - craving