Cette thèse présente trois apports principaux dans le cadre de la modélisation et la simulation des systèmes physiologiques. Le premier apport est la formalisation des aspects qui concernent la modélisation multi-formalisme et multi-résolution. Le deuxième est la présentation et amélioration d'une librairie et un cadre général de modélisation et simulation qui intègre un ensemble d'outils pour aider la définition, l'analyse, l'utilisation et le partage des modèles mathématiques complexes. Le troisième apport est l'application du cadre de modélisation pour améliorer le diagnostic et les stratégies thérapeutiques des applications cliniques concernant le système cardiovasculaire, notamment l'insuffisance cardiaque associée à l'hypertension et les maladies coronariennes. Des applications potentielles associées à la thérapie de resynchronisation cardiaque et l'apnée-bradycardie du nouveau-né prématuré ont été aussi présentées. Ces cas d'étude incluent une intégration d'un cœur pulsatile dans un modèle globale du système cardiovasculaire qui prend en compte i) les mécanismes de régulation à long terme, ainsi que la représentation d'un type d'insuffisance cardiaque, ii) l'analyse de l'hémodynamique coronarienne et sa circulation collatérale pour des patients atteints d'une maladie tri-tronculaire et qui subissent une chirurgie de pontage aorto-coronarien, iii) l'intégration du système électrique cardiaque et son comportement mécanique pour l'optimisation du délai atrio-ventriculaire d'un stimulateur cardiaque, et iv) l'estimation basée sur modèles de l'activité des voies vagale et sympathique du baroreflèxe en période néonatale. / This thesis presents three main contributions in the context of modeling and simulation of physiological systems. The first one is a formalization of the methodology involved in multi-formalism and multi-resolution modeling. The second one is the presentation and improvement of a modeling and simulation framework integrating a range of tools that help the definition, analysis, usage and sharing of complex mathematical models. The third contribution is the application of this modeling framework to improve diagnostic and therapeutic strategies for clinical applications involving the cardiovascular system: hypertension-based heart failure (HF) and coronary artery disease (CAD). A prospective application in cardiac resynchronization therapy (CRT) is also presented, which also includes a model of the therapy. Finally, a final application is presented for the study of the baroreflex responses in the newborn lamb. These case studies include the integration of a pulsatile heart into a global cardiovascular model that captures the short and long term regulation of the cardiovascular system with the representation of heart failure, the analysis of coronary hemodynamics and collateral circulation of patients with triple-vessel disease enduring a coronary artery bypass graft surgery, the construction of a coupled electrical and mechanical cardiac model for the optimization of atrio ventricular and intraventricular delays of a biventricular pacemaker, and a model-based estimation of sympathetic and vagal responses of premature newborn lambs.

Variation et sélection sont au coeur de l'évolution Darwinienne. Cependant, ces deux mécanismes dépendent de processus eux-mêmes façonnés par l'évolution. Chez les micro-organismes, qui font face à des environnements souvent variables, ces propriétés adaptatives sont particulièrement bien exploitées, comme le démontrent de nombreuses expériences en laboratoire. Chez ses organismes, l'évolution semble donc avoir optimisé sa propre capacité à évoluer, un processus que nous nommons évolution de l'évolution (EvoEvo). La notion d'évolution de l'évolution englobe de nombreux concepts théoriques, tels que la variabilité, l'évolvabilité, la robustesse ou encore la capacité de l'évolution à innover (open-endedness). Ces propriétés évolutives des micro-organismes, et plus généralement de tous les organismes vivants, sont soupçonnées d'agir à tous les niveaux d'organisation biologique, en interaction ou en conflit, avec des conséquences souvent complexes et contre-intuitives. Ainsi, comprendre l'évolution de l'évolution implique l'étude de la trajectoire évolutive de micro-organismes — réels ou virtuels —, et ce à différents niveaux d'organisation (génome, interactome, population, …). L'objectif de ce travail de thèse a été de développer et d'étudier des modèles mathématiques et numériques afin de lever le voile sur certains aspects de l'évolution de l'évolution. Ce travail multidisciplinaire, car impliquant des collaborations avec des biologistes expérimentateur•rice•s, des bio-informaticien•ne•s et des mathématicien•ne•s, s'est divisé en deux parties distinctes, mais complémentaires par leurs approches : (i) l'extension d'un modèle historique en génétique des populations — le modèle géométrique de Fisher — afin d'étudier l'évolution du bruit phénotypique en sélection directionnelle, et (ii) le développement d'un modèle d'évolution in silico multi-échelles permettant une étude plus approfondie de l'évolution de l'évolution. Cette thèse a été financée par le projet européen EvoEvo (FP7-ICT-610427), grâce à la commission européenne. / Variation and selection are the two core processes of Darwinian Evolution. Yet, both are directly regulated by many processes that are themselves products of evolution. Microorganisms efficiently exploit this ability to dynamically adapt to new conditions. Thus, evolution seems to have optimized its own ability to evolve, as a primary means to react to environmental changes. We call this process evolution of evolution (EvoEvo). EvoEvo covers several aspects of evolution, encompassing major concepts such variability, evolvability, robustness, and open-endedness. Those phenomena are known to affect all levels of organization in bacterial populations. Indeed, understanding EvoEvo requires to study organisms experiencing evolution, and to decipher the evolutive interactions between all the components of the biological system of interest (genomes, biochemical networks, populations, ...). The objective of this thesis was to develop and exploit mathematical and numerical models to tackle different aspects of EvoEvo, in order to produce new knowledge on this topic, in collaboration with partners from diverse fields, including experimental biology, bioinformatics, mathematics and also theoretical and applied informatics. To this aim, we followed two complementary approaches: (i) a population genetics approach to study the evolution of phenotypic noise in directional selection, by extending Fisher's geometric model of adaptation, and (ii) a digital genetics approach to study multi-level evolution. This work was funded by the EvoEvo project, under the European Commission (FP7-ICT-610427).

Dans le contexte de l'Ingénierie Dirigée par les Modèles, l'utilisation de multiples paradigmes de modélisation pour développer un système complexe est à la fois inévitable et essentielle. Les modèles qui représentent un tel système sont donc hétérogènes, ce qui rend tout raisonnement global sur le système difficile. L'objectif de la modélisation multi-paradigme est de faciliter l'utilisation conjointe de modèles hétérogènes pendant le cycle de développement. Les travaux exposés dans cette thèse concernent l'étude de l'hétérogénéité des modèles et la conception d'une approche pour la modélisation multi-paradigme des systèmes. Nous caractérisons les causes de l'hétérogénéité des modèles par rapport au cycle de développement puis identifions différents types d'hétérogénéité. En nous basant sur ces causes d'hétérogénéité, nous proposons un cadre d'étude pour le domaine de la modélisation multi-paradigme avec différents axes de recherche. La multidisciplinarité de la modélisation multi-paradigme rend applicables des techniques issues de différents domaines. Nous proposons un état de l'art et une classification des techniques dont nous avons étudié la pertinence par rapport à l'hétérogénéité. La gamme des techniques présentées inclut les transformations de modèles, la composition de méta-modèles, la composition de modèles, l'adaptation de composants, la co-simulation ou encore les méga-modèles. Nous présentons ensuite ModHel'X, l'approche de composition de modèles pour la modélisation multi-paradigme que nous avons développée. Elle s'appuie sur le concept de modèle de calcul et permet : 1. de spécifier la sémantique d'un langage de modélisation de manière exécutable à travers la spécialisation opérationnelle d'une sémantique abstraite pour les modèles de calcul ; 2. de spécifier explicitement les mécanismes de composition à utiliser entre des modèles hétérogènes via une structure de modélisation appelée bloc d'interface ; 3. de simuler le comportement global de modèles hétérogènes par un algorithme générique d'exécution que nous avons défini. Une implémentation de ModHel'X a été réalisée sous la forme d'un framework s'appuyant sur EMF (Eclipse Modeling Framework).

Les modèles hydrauliques sont couramment utilisés pour l'aménagement des rivières et la prévention des dommages liés aux inondations. Ces modèles calculent les hauteurs d'eau et débits sur un tronçon de rivière à partir de sa géométrie et des conditions aux limites du système: débit à l'amont du tronçon, débits d'apports latéraux provenant du bassin intermédiaire et hauteurs d'eau à l'aval. Lorsque le tronçon est long, les apports latéraux deviennent conséquents tout en demeurant rarement mesurés car provenant d'affluents secondaires. L'évaluation de ces apports constitue alors une étape essentielle dans la simulation des crues sous peine de fortes sous ou surestimations des variables hydrauliques. Cette thèse a pour objectif principal d'identifier une méthode de complexité minimale permettant de reconstituer ces apports. Nos travaux s'appuient sur un échantillon de 50 tronçons de rivière situés en France et aux Etats-Unis sur lesquels les apports latéraux ont été estimés à l'aide d'un modèle hydrologique semi-distribué connecté avec un modèle hydraulique simplifié. <br /><br />Une méthode automatisée de découpage du bassin intermédiaire en sous-bassins a d'abord été élaborée afin de faciliter la construction du modèle hydrologique sur les 50 tronçons de rivière. Des tests de sensibilité ont été menés sur le nombre de sous-bassins, la nature uniforme ou distribuée des entrées de pluie et des paramètres du modèle hydrologique. Une configuration à 4 sous-bassins présentant des pluies et des paramètres uniformes s'est avérée la plus performante sur l'ensemble de l'échantillon.<br /><br />Enfin, une méthode alternative de calcul des apports latéraux a été proposée utilisant une transposition du débit mesuré à l'amont et une combinaison avec le modèle hydrologique.

Dans la plupart des langues peu dotées, les services liés aux technologies du traitement de l'oral sont inexistants. L'originalité de mon travail de thèse vient de la volonté d'aborder ces langues pour lesquelles peu ou pas de ressources nécessaires pour la reconnaissance automatique de la parole sont disponibles. Ce manuscrit présente notre méthodologie qui vise à développer et adapter rapidement un système de reconnaissance automatique de la parole continue pour une nouvelle langue peu dotée. <br />La nature statistique des approches nécessite de disposer d'une grande quantité de ressources (vocabulaires, grands corpus de texte, grands corpus de parole, dictionnaires de prononciation) pour le développement d'un système de reconnaissance automatique de la parole continue à grand vocabulaire. Ces ressources ne sont cependant pas disponibles directement pour des langues peu dotées. Par conséquent, une première façon d'accélérer la portabilité des systèmes de reconnaissance vocale vers une nouvelle langue est de développer une méthodologie permettant une collecte rapide et facilitée de ressources écrites et orales. Dans ce travail, nous proposons tout d'abord des solutions pour résoudre les difficultés principales de récupération et de traitement des ressources textuelles spécifiques aux langues peu dotées : recueil d'un vocabulaire, collecte de documents à partir de l'Internet, normalisation de textes, segmentation de textes, filtrage. Une boîte à outils générique « open source » nommée CLIPS-Text-Tk a notamment été développée pour faciliter le portage des outils de traitement de corpus textuels vers une nouvelle langue.<br />Ensuite, la plus grande partie de notre travail de thèse concerne la construction rapide de modèles acoustiques pour une langue peu dotée. Nous proposons des concepts et des méthodes d'estimation de similarités entre unités phonémiques (phonème, polyphone, groupe de polyphones, ...). Ces mesures de similarité sont ensuite utilisées pour la portabilité et l'adaptation rapide des modèles acoustiques multilingues indépendant et dépendant du contexte vers une nouvelle langue peu dotée. Pour les langues peu dotées qui ne disposent pas encore de dictionnaire phonétique, une modélisation acoustique à base de graphèmes est aussi proposée et évaluée.<br />Enfin, les ressources écrites et orales collectées pour le vietnamien et le khmer ainsi que les résultats expérimentaux obtenus par nos systèmes de reconnaissance automatique de la parole en vietnamien et en khmer sont présentés et valident le potentiel des méthodes que nous avons proposées.

L'objectif principal de cette thèse est de développer des outils pour la reconstruction de l'environnement urbain à partir d'images. Les entrées typiques de notre travail est un ensemble d'images de façades, des empreintes au sol de bâtiments, et des modèles 3D reconstruits à partir d'images aériennes. Les principales étapes comprennent le calibrage des images,le recalage avec le modèle 3D, la récupération des informations de profondeur ainsi que la sémantique des façades.Pour atteindre cet objectif, nous utilisons des techniques du domaine de vision par ordinateur, reconnaissance de formes et de l'informatique graphique. Les contributions de notre approche sont présentés en deux parties.Dans la première partie, nous nous sommes concentrés sur des techniques de reconstruction multi-vues dans le but de récupérer automatiquement les informations de profondeur de façades à partir un ensemble des photographies non calibrées. Tout d'abord, nous utilisons la technique structure et mouvement pour calibrer automatiquement l'ensemble des photographies. Ensuite, nous proposons des techniques pour le recalage de la reconstruction avec un modèle 3D. Enfin, nous proposons des techniques de reconstruction 3d dense (stéréo multi-vues et voxel coloring) pour produire un maillage 3D texturé d'une scène d'un ensemble d'images calibrées.La deuxième partie est consacrée à la reconstruction à partir d'une seule vue et son objectif est de récupérer la structure sémantique d'une façade d'une image ortho-rectifiée. La nouveauté de cette approche est l'utilisation d'une grammaire stochastique décrivant un style architectural comme modèle pour la reconstruction de façades. nous combinons un ensemble de détecteurs image avec une méthode d'optimisation globale stochastique en utilisant l'algorithme Metropolis-Hastings.

Ce travail présente une étude originale de l'interaction laser-matière en régime nanoseconde à l'aide d'une double approche expériences-modélisation numérique. L'approche expérimentale vise à caractériser les plasmas produits par laser et l'empreinte laissée par le faisceau laser sur la cible. L'approche numérique s'appuie sur un modèle 1D qui permet de décrire le chauffage de la cible par le laser, l'ablation de matière et la formation d'un plasma dans cette matière ablatée due à l'interaction avec le laser. Des comparaisons des résultats obtenus par les deux approches permettent d'évaluer le degré de précision des résultats issus du modèle. Ces comparaisons se limitent aux 100 premières nanosecondes d'expansion du plasma. Nous montrons ainsi que le modèle décrit assez bien l'écrantage du faisceau laser par le plasma, l'expansion du plasma et la propagation de l'onde de choc dans le gaz ambiant. De plus, les valeurs des seuils d'ablation et de formation du plasma sont calculées avec une bonne précision. En revanche, des écarts sont constatés pour la modélisation des processus d'interaction entre le laser et la cible. Le degré de précision du modèle est au final suffisamment bon pour nous permettre d'étudier précisément l'effet du gaz ambiant sur les propriétés et la dynamique du plasma.

Les performances des outils numériques de simulation électromagnétique de structures complexes, i.e., échelles multiples, sont souvent limitées par les ressources informatiques disponibles. De nombreux méso-centres, fermes et grilles de calcul, se créent actuellement sur les campus universitaires. Utilisant ces ressources informatiques mutualisées, ce travail de thèse s'attache à évaluer les potentialités du concept de grille de calcul (Grid Computing) pour la simulation électromagnétique de structures multi-échelles. Les outils numériques de simulation électromagnétique n'étant pas conçus pour être utilisés dans un environnement distribué, la première étape consistait donc à les modifier afin de les déployer sur une grille de calcul. Une analyse approfondie a ensuite été menée pour évaluer les performances des outils de simulation ainsi déployés sur l'infrastructure informatique. Des nouvelles approches pour le calcul électromagnétique distribué avec ces outils sont présentées et validées. En particulier, ces approches permettent la réalisation de simulation électromagnétique de structures à échelles multiples en un temps record et avec une souplesse d'utilisation.

Cette thèse étudie les problèmes de diagnostic itératif et propose des outilsd’aide au diagnostic interactif. Différents processus de diagnostic où des outils interactifs homme-automate sont utiles, sont présentés. Ces outils permettent de résoudre des difficultés liées à la représentation d’un grand nombre d’éléments d’un système, des difficultés liées à la représentation du comportement et du fonctionnement d’un système et des difficultés liées à l’explicitation de l’expertise. Nos travaux ont conduit à la conception de différents types d’outils interactifs d’aide au diagnostic. Le premier permet d’exploiter des représentations structuro-fonctionnelles pour construire et résoudre progressivement un problème de diagnostic.Le second outil interactif permet d’exploiter des modèles de comportement construit au fur et à mesure de la résolution d’un problème de diagnostic. Enfin, un dernier outil a étéproposé pour montrer qu’il est possible de prendre compte la connaissance implicite d’un expert dans la résolution de problème de diagnostic. Un problème de diagnostic est donc présenté comme un processus itératif avec des interactions homme-automate. / This PhD thesis studies the iterative diagnosis problems and provides thecomputer-aided diagnostic tool for interactive diagnosis. Different diagnosis processes wherethe tool to support human-machine interaction are useful, are presented. These tools help totackle difficulties related to the representation of a large number of elements in a system,difficulties related to the representation of the behavior functioning of a system and difficultiesencountered while expliciting the expertise. Our work led to the design of different interactivetools to support the diagnosis process. The first tool allows to exploit the structural-functionalmodeling to build and solve progressively a diagnosis problem. The second interactive toolallows to exploit the behavioral models built step by step in the diagnosis process and tosolve the diagnosis problem. The final tool was proposed to show that it is possible to takeinto account the implicit knowledge of an expert in order to solve the diagnosis problem.A diagnosis problem is therefore presented as an iterative process with human-machineinteractions.

Orogenic belts are fundamental features of plate tectonics. The crustal structure of orogens around the world shows a wide range of deformation styles from narrow, asymmetric wedges like the Pyrenees to wide, plateau-like orogens such as the Zagros or the Himalaya. The primary controlling factor on the size and structure of an orogen is the amount of convergence between the colliding plates. However, there are important additional factors providing major controls on the structural development of orogens. Among the potential parameters that can affect the style of deformation are the crustal strength, inherited weaknesses, and the surface processes. These parameters have been studied extensively in the past but their relative importance remains unclear. The aim of this thesis is to improve our understanding of: (1) How surface processes affect mountain building, with a special focus on the relationship between thin-skinned foreland and thick-skinned internal deformation of orogens. (2) How inherited extensional structures affect mountain building. The study was carried out using the Pyrenees as a special reference case. To answer our research questions we have used a wide range of state-of-the-art numerical modelling tools. In paper 1 we present a new method where we couple a structural-kinematic model and a thermo-kinematic model to evaluate the consistency of existing balanced section reconstructions with independent thermochronology data. In papers 2 and 3 we use 2D lithospheric scale thermo-mechanical models with surface process algorithms. Using the above toolset, we demonstrate that syntectonic sedimentation results in longer basement thrust sheets as well as longer thin-skinned thrust sheets and a generally wider orogen. Conversely erosion tends to narrow the wedge and reduce the orogenic loading of the colliding plates, limiting the space available for deposition in the flexural foreland deeps. We also demonstrate that inherited extensional structures play a crucial role in mountain building as they facilitate the migration of deformation into the undeformed basement of the overriding plate. Moreover, a significant amount of lower-crustal/mantle-lithospheric material is preserved at shallow depths only in the presence of extensional inheritance, but significant erosion is needed in order to bring this material to the surface. Our models also show that thin-skinned thrust sheets are generally rooted in the footwall of basement thrusts as they form outward-propagating sequences. As soon as a new basement thrust forms, the thin-skinned sequence situated on top of the new basement thrust-sheet is abandoned in favour of starting a new sequence in the footwall of the new thrust. Regarding our case study, it was possible to reproduce the section restoration using a structural-kinematic model with high accuracy up to the 36-Ma time slice and with limited accuracy up to the 50-Ma time slice. The thermochronometric ages predicted by the thermo-kinematic modelling are generally in good agreement with both the high- and low-temperature thermochronology data available in the Central Pyrenees; hence we conclude that the restoration is to a first order consistent with these datasets. The predicted thermochronological ages approximate the available low-temperature thermochronology data better by taking into account the late-stage burial and re-excavation scenario affecting the southern flank of the Pyrenean wedge presented by Coney et al. (1996), and quantified by Fillon and van der Beek (2012). In conclusion, our model experiments suggest, that extensional inheritance played a prime role in the structural evolution of the Pyrenees, with the major characteristics of the North Pyrenean Unit, including the presence of steep, inverted normal faults, the relative tectonic quiescence of the area after the early inversion and the presence of a lower-crustal body at shallow depth below the unit, best recaptured by our accordion models. / Orogenic belts are fundamental features of plate tectonics. The crustal structure of orogens around the world shows a wide range of deformation styles from narrow, asymmetric wedges like the Pyrenees to wide, plateau-like orogens such as the Zagros or the Himalaya. The primary controlling factor on the size and structure of an orogen is the amount of convergence between the colliding plates. However, there are important additional factors providing major controls on the structural development of orogens. Among the potential parameters that can affect the style of deformation are the crustal strength, inherited weaknesses, and the surface processes. These parameters have been studied extensively in the past but their relative importance remains unclear. The aim of this thesis is to improve our understanding of: (1) How surface processes affect mountain building, with a special focus on the relationship between thin-skinned foreland and thick-skinned internal deformation of orogens. (2) How inherited extensional structures affect mountain building. The study was carried out using the Pyrenees as a special reference case. To answer our research questions we have used a wide range of state-of-the-art numerical modelling tools. In paper 1 we present a new method where we couple a structural-kinematic model and a thermo-kinematic model to evaluate the consistency of existing balanced section reconstructions with independent thermochronology data. In papers 2 and 3 we use 2D lithospheric scale thermo-mechanical models with surface process algorithms. Using the above toolset, we demonstrate that syntectonic sedimentation results in longer basement thrust sheets as well as longer thin-skinned thrust sheets and a generally wider orogen. Conversely erosion tends to narrow the wedge and reduce the orogenic loading of the colliding plates, limiting the space available for deposition in the flexural foreland deeps. We also demonstrate that inherited extensional structures play a crucial role in mountain building as they facilitate the migration of deformation into the undeformed basement of the overriding plate. Moreover, a significant amount of lower-crustal/mantle-lithospheric material is preserved at shallow depths only in the presence of extensional inheritance, but significant erosion is needed in order to bring this material to the surface. Our models also show that thin-skinned thrust sheets are generally rooted in the footwall of basement thrusts as they form outward-propagating sequences. As soon as a new basement thrust forms, the thin-skinned sequence situated on top of the new basement thrust-sheet is abandoned in favour of starting a new sequence in the footwall of the new thrust. Regarding our case study, it was possible to reproduce the section restoration using a structural-kinematic model with high accuracy up to the 36-Ma time slice and with limited accuracy up to the 50-Ma time slice. The thermochronometric ages predicted by the thermo-kinematic modelling are generally in good agreement with both the high- and low-temperature thermochronology data available in the Central Pyrenees; hence we conclude that the restoration is to a first order consistent with these datasets. The predicted thermochronological ages approximate the available low-temperature thermochronology data better by taking into account the late-stage burial and re-excavation scenario affecting the southern flank of the Pyrenean wedge presented by Coney et al. (1996), and quantified by Fillon and van der Beek (2012). In conclusion, our model experiments suggest, that extensional inheritance played a prime role in the structural evolution of the Pyrenees, with the major characteristics of the North Pyrenean Unit, including the presence of steep, inverted normal faults, the relative tectonic quiescence of the area after the early inversion and the presence of a lower-crustal body at shallow depth below the unit, best recaptured by our accordion models.