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Nous nous intéressons à la détection et au suivi d'objets biologiques divers (cellules, noyaux, etc.) dans des images et séquences tri-dimensionnelles acquises en microscopie par fluorescence. L'observation de phénomènes biologiques in situ étant de plus en plus cruciale pour les experts, il est nécessaire, en plus de l'analyse quantitative, d'effectuer un rendu volumique 3D de la scène et des objets qui y évoluent. De plus, l'automatisation des techniques d'acquisition d'images requiert un haut niveau de reproductibilité des algorithmes et induit souvent des contraintes de temps de calcul que nous nous efforçons de prendre en compte.<br /><br />Les modèles déformables, également connus sous le nom de contours actifs, font actuellement partie des méthodes de pointe en analyse d'images pour la segmentation et le suivi d'objets grâce à leur robustesse, leur flexibilité et leur représentation à haut niveau sémantique des entités recherchées. Afin de les adapter à notre problématique, nous devons faire face à diverses difficultés. Tout d'abord, les méthodes existantes se réfèrent souvent aux variations locales d'intensité (ou gradients) de l'image pour détecter le contour des objets recherchés. Cette approche est inefficace en microscopie tridimensionnelle par fluorescence, où les gradients sont très peu prononcés selon l'axe de profondeur de l'image. Ensuite, nous devons gérer le suivi d'objets multiples susceptibles d'entrer en contact en évitant leur confusion. Enfin, nous devons mettre en place un système permettant de visualiser efficacement les contours durant leur déformation sans altérer les temps de calcul.<br /><br />Dans la première partie de ce travail, nous pallions à ces problèmes en proposant un modèle de segmentation et de suivi multi-objets basé sur le formalisme des lignes de niveaux (ou level sets) et exploitant la fonctionnelle de Mumford et Shah. La méthode obtenue donne des résultats quantitatifs satisfaisants, mais ne se prête pas efficacement au rendu 3D de la scène, pour lequel nous sommes tributaires d'algorithmes dédiés à la reconstruction 3D (e.g. la méthode des "Marching Cubes"), souvent coûteux en mémoire et en temps de calcul. De plus, ces algorithmes peuvent induire des erreurs d'approximation et ainsi entraîner une mauvaise interprétation des résultats.<br /><br />Dans la seconde partie, nous proposons une variation de la méthode précédente en remplaçant le formalisme des lignes de niveaux par celui des maillages triangulaires, très populaire dans le domaine de la conception assistée par ordinateur (CAO) pour leur rendu 3D rapide et précis. Cette nouvelle approche produit des résultats quantitatifs équivalents, en revanche le formalisme des maillages permet d'une part de réduire considérablement la complexité du problème et autorise d'autre part à effectuer un rendu 3D précis de la scène parallèlement au processus de segmentation, réduisant d'autant plus les temps de calculs.<br /><br />Les performances des deux méthodes proposées sont d'abord évaluées puis comparées sur un jeu de données simulées reproduisant le mieux possible les caractéristiques des images réelles. Ensuite, nous nous intéressons plus particulièrement à l'évaluation de la méthode par maillages sur des données réelles, en évaluant la robustesse et la stabilité de quelques descripteurs de forme simples sur des expériences d'imagerie haut-débit. Enfin, nous présentons des applications concrètes de la méthode à des problématiques biologiques réelles, réalisées en collaboration avec d'autres équipes de l'Institut Pasteur de Corée.

Maîtriser l’impact des maladies sur les cultures est un défi majeur de l’agriculture moderne. Cette préoccupation est un aspect important de l’optimisation de la productivité, notamment en viticulture. En France, le mildiou de la vigne causé par Plasmopara viticola est une des maladies cryptogamiques responsable des épidémies les plus dévastatrices et les plus redoutées. Les traitements reposent sur l’utilisation préventive, systématique et onéreuse de composés chimiques antifongiques dont l’utilisation massive constitue un risque à la fois pour l’homme et l’environnement. La réduction de l’utilisation de fongicide implique le développement d’outils de diagnostic au champ, qui requiert la compréhension des interactions entre la plante et les agents pathogènes. Les travaux de cette thèse pluridisciplinaire ont porté sur le pathosystème Plasmopara viticola - Vitis vinifera, notamment pour répondre à l’intérêt croissant pour un outil de diagnostic en temps réel de la maladie utilisable au vignoble. Les stilbènes sont des phytoalexines impliqués dans la défense de certaines plantes supérieures vis-à-vis de stress biotiques et abiotiques. L’autofluorescence de ces composés phénoliques, dont la biosynthèse est induite dans les feuilles de vigne par P. viticola, en fait un potentiel marqueur naturel de l’infection. En effet, la faible autofluorescence bleu-verte des feuilles de vigne saines est considérablement renforcée par l’autofluorescence violet-bleue des stilbènes à la surface de feuilles de vigne infectée par P. viticola. Cette étude a montré que quelque soit le niveau de résistance du génotype, l’autofluorescence violet-bleue des stilbènes induit par l’infection est présente au niveau des parois des cellules de l’épiderme. En dehors de la concentration, la viscosité s’est révélé être la principale variable physico-chimique influençant l’intensité de l’autofluorescence des stilbènes dans les différents compartiments cellulaires des feuilles de vigne. Ceci explique la fluorescence intense des parois, particulièrement rigides, des cellules de garde (stomates) des feuilles infectées. Le suivi cinétique journalier a révélé la nature transitoire de l’autofluorescence des stilbènes lors de l’infection. La robustesse et l’intérêt de ce signal a également été validée par la mesure à différentes échelles (de la cellule à la feuille entière) et avec différentes méthodes fluorimétriques. Les résultats de ce travail ont permis des avancées sur la connaissance du rôle de composés phénoliques induits et constitutifs dans la défense contre P. viticola. En plus de la localisation de l’autofluorescence des stilbènes en surface des feuilles, la microscopie confocale couplée à la microspectrofluorimetrie a révélé différentes localisations de ces phytoalexines dans la profondeur des tissus en corrélation avec le niveau de résistance des génotypes. L’utilisation de l’autofluorescence des stilbènes comme marqueur de l’infection a permis de mettre en évidence : 1) le fait que les flavonols constitutifs des feuilles de V. vinifera retardent le développement de l’infection par P. viticola; et 2) le fait que les acides hydroxycinnamiques constitutifs ne semble pas participer à la défense contre P. viticola. Enfin, une nouvelle méthode de diagnostic non-destructive du mildiou sur feuille basée sur l’autofluorescence des stilbènes a été développée. Elle a montré une détection pré-symptomatique du mildiou sur les feuilles de vigne entières dès le premier jour après l’infection sur la face abaxiale et le troisième jour sur la face adaxiale. Cette méthode de diagnostic du mildiou a été validée au laboratoire notamment grâce à un prototype de capteur proximal développé en collaboration avec la société Force-A. La validation de la méthode au vignoble dans le cadre d’infection naturelle est la prochaine étape pour une utilisation de ce capteur optique dans le cadre de l’agriculture durable et de la sélection variétale. / Controlling the impact of diseases on crops is a major challenge of modern agriculture. This concern is an important aspect of optimizing productivity, notably in viticulture. In France, downy mildew caused by Plasmopara viticola is a fungal disease responsible for the most devastating epidemics. The preventive and systematic treatments are expensive, while the massive use of antifungal chemicals is a risk to both humans and the environment. Reducing the use of fungicide involves the development of diagnostic tools in the field, which requires understanding the interactions between plants and pathogens. The work of this multidisciplinary thesis focused on the pathosystem Plasmopara viticola - Vitis vinifera, especially to meet the growing interest in a real-time diagnostic tool of disease applicable in the vineyard. Stilbenes are phytoalexins involved in the defense of certain higher plants against biotic and abiotic stresses. The autofluorescence of these phenolic compounds, whose biosynthesis is induced in grapevine leaves by P. viticola, makes it a potential marker of natural infection. Indeed, the low blue-green autofluorescence of grapevine leaves is greatly enhanced by the violet-blue autofluorescence of stilbenes on the surface of leaves infected by P. viticola. This study showed that whatever the level of resistance in various genotypes, violet-blue autofluorescence induced by stilbene is present in the walls of epidermal cells. In addition to their concentration, viscosity proved the main physico-chemical variable affecting the intensity of the autofluorescence of stilbenes in different compartments of vine leaves. This explains the intense fluorescence of the walls, particularly rigid, of guard cells (stomata) of infected leaves. Daily monitoring revealed a kinetic with a transient rise of the autofluorescence of stilbenes during infection. The robustness and value of this signal was also validated by measuring at different levels (cellular to whole leaf) and with various fluorimetric methods (imaging, spectroscopy, proximal sensing). These results advance our understanding of the role of constitutive and induced phenolic compounds in plant defence against P. viticola. In addition to a common location of the autofluorescence of stilbenes on the leaf surface, confocal microscopy coupled with microspectrofluorometry revealed distinctive localizations of these phytoalexins in the deep tissue correlated with the level of resistance in genotypes. This aspect no doubt needs broader testing. The use of autofluorescence of stilbene as a marker of infection allowed us to ascertain that: 1) constitutive flavonols of the leaves of V. vinifera retard the development of infection by P. viticola and 2) the constitutive hydroxycinnamic acids do not seem to participate in the defence against P. viticola. Finally, a new method for the non-destructive diagnosis of leaf infection based on the autofluorescence of stilbenes has been developed. We have demonstrated a pre-symptomatic detection of downy mildew on whole grape leaves from the first day after infection on the abaxial surface and from the third day on the adaxial surface. This method of diagnosis has been validated in the laboratory thanks to a proximal sensor prototype developed in collaboration with the company Force-A. The validation of the method in the vineyard in a context of natural infections is the next step for use of this optical sensor as a tool for sustainable agriculture and for genetic screening.

La première partie de ce manuscrit concerne l'étude en monocouches à l'interface air-eau de mélanges lipidiques susceptibles de former des "rafts" dans les membranes cellulaires, c'est-à-dire des domaines enrichis spécifiquement en certains lipides (glycolipides, sphingolipides, cholestérol) et certaines protéines. Du fait de leur composition spécifique, ces domaines sont caractérisés par une phase particulière ("liquid ordered phase") présentant des caractéristiques intermédiaires entre celles des phases fluides et condensées. Les principales méthodes mises en oeuvre dans cette étude sont des mesures de pression de surface (isothermes de compression, analyse des aires moléculaires moyennes, études de désorption en présence de beta-cyclodextrine), la microscopie de fluorescence (après marquage de la monocouche à l'aide d'une sonde fluorescente), ou la microscopie à l'angle de Brewster. Une des parties les plus importantes de ce travail concerne le comportement de monocouches constituées d'un glycolipide, le GM3, en présence de phospholipides (phase fluide), de sphingomyéline ou de cholestérol (phase "raft"). Les mesures montrent que le GM3 n'a pas d'affinité particulière pour la sphingomyéline. De même, son interaction avec le cholestérol induit une condensation de la monocouche similaire à celle observée avec les phospholipides en phase fluide, et ne permet pas le maintien du cholestérol dans la monocouche lors d'une désorption induite par la beta-cyclodextrine. Ce manque d'interaction spécifique du GM3 avec des lipides présents dans les "rafts" permet donc d'expliquer sa répartition assez large dans les membranes d'adipocytes, tant dans la phase fluide que dans les "rafts". La seconde partie concerne l'étude de molécules organiques de type hémicyanine organisées en monocouches de Langmuir et films de Langmuir-Blodgett, étudiés par des méthodes complémentaires (absorption, spectroscopie de fluorescence stationnaire et résolue en temps), mesures de pression de surface et microscopie de fluorescence. Ces hémicyanines comportent une chaîne hydrophobe nécessaire à la réalisation de films organisés stables. Ces derniers peuvent avoir de multiples applications dans la collecte et le transfert de l'énergie lumineuse ou les analyses chimiques ou biochimiques (reconnaissance sélective de cations lors de pollutions par exemple).

Cette thèse porte sur la manipulation d'atomes à l'aide d'objets<br /> nanostructurés. Deux études expérimentales liées à cette<br /> thématique ont été menées. La première a été consacrée à la mise<br /> en place d'un jet de césium intense refroidi transversalement par<br /> mélasse optique et à sa caractérisation. Cette souce a été<br /> appliquée à la lithographie atomique de film d'or \emph{via} des<br /> monocouches moléculaires auto-assemblées. Après une<br /> caractérisation des différentes étapes du procédé, nous avons<br /> employé des masques matériels pour graver des motifs de taille<br /> sub-micrométrique sur la surface d'or. Nous avons obtenu des<br /> trous de 250 nm de diamètre, cette résolution étant limitée par la<br /> taille des masques employés. <br /><br /> Le deuxième ensemble d'expériences concerne la réponse optique<br /> d'ouvertures sub-l'ongueur d'onde dans des films minces<br /> métalliques. Nous avons d'abord mis en place un dispositif<br /> d'imagerie par microscopie de fluorescence qui nous a permis de<br /> cartographier le champ lumineux mis en forme par une fente \SLO<br /> entourée par des sillons périodiques. Pour mieux comprendre les<br /> méchanismes en jeu dans la transmission de la lumière par ces<br /> éléments, les propriétés de structures simples on été étudiées par<br /> interférométrie en champ lointain. Les résultats quantitatif<br /> obtenus permettent une description phénoménologique des procédés<br /> élémentaires en jeu dans ces éléments qui peut être comparée aux<br /> modèles théoriques.

Dans ce mémoire sont présentées la conception et la réalisation d'une expérience portant sur l'étude en molécule unique de l'activité traductionnelle du ribosome procaryote. Pour ce faire, nous utilisons un ribosome et des acides aminés lysines marqués spécifiquement avec deux marqueurs fluorescents ayant des spectres d'émissions différents. Ainsi, nous pouvons colocaliser les ribosomes et les acides aminés incorporés en utilisant la microscopie de fluorescence par réflexion totale (TIRFM). Pour pouvoir compter les acides aminés incorporés, nous avons réalisé une étude en molécule unique des propriétés photophysiques du fluorophore organique les marquant, le Bodipy FL. Celui-ci a une faible durée de vie et clignote beaucoup. Afin de remédier à ces problèmes, nous avons développé un système permettant d'augmenter sa durée de vie d'un facteur 25 environ, et qui réduit le taux de clignotement pour de faibles intensités d'excitation. L'étude des ribosomes à proximité de la surface d'une lamelle de microscope nous a amenés à développer une chimie de surface n'autorisant qu'une accroche spécifique des espèces biologiques étudiées et conservant l'activité des ribosome. Ces études ont été réalisées à l'aide de cellules microfluidiques élaborées par nos soins permettant une grande flexibilité lors des expériences. Nous avons élaboré un marquage spécifique original du ribosome à l'aide d'un nanocristal semi-conducteur. Nous avons évalué la spécificité de l'accroche ainsi que l'activité du ribosome marqué en mesure d'ensemble. Nous avons ensuite observé l'activité de ces ribosomes marqués accrochés à une surface en molécule unique. Des expériences préliminaires en molécules uniques ont démontré que des ribosomes non marqués étaient capables d'incorporer les acides aminés marqués Bodipy FL . Enfin, nous présentons les premières étapes de conception d'une pince optique pour mesurer des forces de cohésion sur des structures particulières de l'ARN messager.

Cette thèse porte sur l'utilisation du BLASSO, un problème d'optimisation convexe en dimension infinie généralisant le LASSO aux mesures, pour la super-résolution de sources ponctuelles. Nous montrons d'abord que la stabilité du support des solutions, pour N sources se regroupant, est contrôlée par un objet appelé pré-certificat aux 2N-1 dérivées nulles. Quand ce pré-certificat est non dégénéré, dans un régime de petit bruit dont la taille est contrôlée par la distance minimale séparant les sources, le BLASSO reconstruit exactement le support de la mesure initiale. Nous proposons ensuite l'algorithme Sliding Frank-Wolfe, une variante de l'algorithme de Frank-Wolfe avec déplacement continu des amplitudes et des positions, qui résout le BLASSO. Sous de faibles hypothèses, cet algorithme converge en un nombre fini d'itérations. Nous utilisons cet algorithme pour un problème 3D de microscopie par fluorescence en comparant trois modèles construits à partir des techniques PALM/STORM. / This thesis studies the noisy sparse spikes super-resolution problem for positive measures using the BLASSO, an infinite dimensional convex optimization problem generalizing the LASSO to measures. First, we show that the support stability of the BLASSO for N clustered spikes is governed by an object called the (2N-1)-vanishing derivatives pre-certificate. When it is non-degenerate, solving the BLASSO leads to exact support recovery of the initial measure, in a low noise regime whose size is controlled by the minimal separation distance of the spikes. In a second part, we propose the Sliding Frank-Wolfe algorithm, based on the Frank-Wolfe algorithm with an added step moving continuously the amplitudes and positions of the spikes, that solves the BLASSO. We show that, under mild assumptions, it converges in a finite number of iterations. We apply this algorithm to the 3D fluorescent microscopy problem by comparing three models based on the PALM/STORM technics.