Cette thèse porte sur le développement d’estimateurs d'erreur a posteriori pour la résolution numérique par éléments finis de problèmes en électromagnétisme basse fréquence. On s’intéresse aux formulations en potentiels (A-φ et T-Ω) des équations de Maxwell en régime quasi-stationnaire, pour le cas harmonique ou temporel. L'enjeu consiste à développer des outils numériques mathématiquement robustes, exploitables dans un code de calcul industriel, notamment le Code_Carmel3D (EDF R&D), permettant d'estimer l'erreur de discrétisation spatio-temporelle et de pouvoir ainsi améliorer la précision des calculs. On prouve la fiabilité, assurant le contrôle de l’erreur. On prouve également dans certains cas l’efficacité locale, permettant de repérer les zones du maillage dans lesquelles l’erreur est la plus importante, et de mettre ainsi en œuvre des stratégies de raffinement adaptatif. L'équivalence globale entre l'erreur en norme énergétique et l'estimateur est en général assurée. Les estimateurs obtenus sont finalement utilisés pour des simulations physiques/industrielles par le Code_Carmel3D. / This thesis focus on the developement of a posteriori error estimators for the finite element numerical resolution of low frequency electromagnetic problems. We are interested in two potential formulations of the Maxwell's equations in the quasi-static approximation, known as A-φ et T-Ω formulations, for both harmonic and temporal regimes. The challenge consists in developing numerical tools mathematically robust, usable in an industrial code allowing the estimation of the spatio-temporal error discretisation and the improvement of the quality and the cost of the computation. We prove the reliability of the proposed error estimators, which ensures an upper bound for the error in the energy norm. In some cases we also prove the local efficicency of the estimators, which allows to detect the zones where the error is the highest, so that an adaptive remeshing process can be set up. Anyway, the global equivalence between the energy error norm and the estimator is derived. The developed error estimators are finally used for physical and industrial numerical simulations in Code_Carmel3D (EDF R&D).

Les neurones sensoriels réagissent à des stimuli externes en émettant des séquences de potentiels d’action (“spikes”). Ces spikes transmettent collectivement de l’information sur le stimulus en formant des motifs spatio-temporels qui constituent le code neural. On observe expérimentalement que ces motifs se produisent de façon irrégulière, mais avec une structure qui peut être mise en évidence par l’utilisation de descriptions probabilistes et de méthodes statistiques. Cependant, la caractérisation statistique des données expérimentales présente plusieurs contraintes majeures: en dehors de celles qui sont inhérentes aux statistiques empiriques comme la taille de l’échantillonnage, ‘le’ modèle statistique sous-jacent est inconnu. Dans cette thèse, nous abordons le problème d’un point de vue complémentaire à l’approche expérimentale. Nous nous intéressons à des modèles neuro-mimétiques permettant d’étudier la statistique collective des potentiels d’action et la façon dont elle dépend de l’architecture et l’histoire du réseau ainsi que du stimulus. Nous considérons tout d’abord un modèle de type Intègre-et-Tire à conductance incluant synapses électriques et chimiques. Nous montrons que la statistique des potentiels d’action est caractérisée par une distribution non stationnaire et de mémoire infinie, compatible avec les probabilités conditionnelles (left interval-specification), qui est non-nulle et continue, donc une distribution de Gibbs. Nous présentons ensuite une méthode qui permet d’unifier les modèles dits d’entropie maximale spatio-temporelle (dont la mesure invariante est une distribution de Gibbs dans le sens de Bowen) et les modèles neuro-mimétiques, en fou / Sensory neurons respond to external stimulus using sequences of action potentials (“spikes”). They convey collectively to the brain information about the stimulus using spatio-temporal patterns of spikes (spike trains), that constitute a “neural code”. Since spikes patterns occur irregularly (yet highly structured) both within and over repeated trials, it is reasonable to characterize them using statistical methods and probabilistic descriptions. However, the statistical characterization of experimental data presents several major constraints: apart from those inherent to empirical statistics like finite size sampling, ‘the’ underlying statistical model is unknown. In this thesis we adopt a complementary approach to experiments. We consider neuromimetic models allowing the study of collective spike trains statistics and how it depends on network architecture and history, as well as on the stimulus. First, we consider a conductance-based Integrate-and-Fire model with chemical and electric synapses. We show that the spike train statistics is characterized by non-stationary, infinite memory, distribution consistent with conditional probabilities (Left interval specifications), which is continuous and non null, thus a Gibbs distribution. Then, we present a novel method that allows us to unify spatio-temporal Maximum Entropy models (whose invariant measure are Gibbs distributions in the Bowen sense) and neuro-mimetic models, providing a solid ground towards biophysical explanation of spatio-temporal correlations observed in experimental data. Finally, using these tools, we discuss the stimulus response of retinal ganglion cells, and the possible generalization of the co

Les nanofils semiconducteurs suscitent un vif intérêt tant pour leurs propriétés fondamentales originales que pour leurs applications potentielles en opto- et nano-Électronique. La physique des nanofils et en particulier des matériaux à la base est difficile à caractériser. Dans ce contexte, la simulation numérique peut apporter des réponses quantitatives aux problèmes posés par ces objets et aider à explorer leur potentiel. En particulier, leur cristallisation se fait dans une phase hexagonale wurtzite mais avec des fautes d’empilement qui donnent lieu à des insertions de séquence cubique. La structure cubique blende de zinc a été largement étudiée, les différents aspects physiques des semiconducteurs l’adoptant sont bien illustrés dans la littérature. Par contre, ils sont mal compris en phase wurtzite. C’est pourquoi, l’étude des propriétés structurales et électroniques des cristaux III-V et hétérostructures wurtzite a fait l’objet du présent travail. En particulier, je me suis intéressée à déterminer les paramètres structuraux et électroniques d’ InAs et InP. Pour aborder ces problématiques il convient de trouver une méthode théorique adaptée. Dans ce contexte, les modélisations ab initio permettent d’explorer les propriétés globales sans une connaissance expérimentale à priori des systèmes étudiés. Elles reposent sur la résolution variationnelle de l’équation de Schrödinger qui est lourde d’un point de vue computationnel. Il existe donc toute une hiérarchie de modèles plus ou moins sophistiqués qui approchent plus ou moins la solution exacte du problème. Dans le cadre de ce travail, j’ai utilisé la théorie de la fonctionnelle de la densité qui reproduit les résultats expérimentaux de structures mais peine à évaluer les niveaux énergétiques vides. Cette difficulté est due à la définition des effets à N corps et notamment aux effets de corrélation entre les électrons. L’erreur dans l’évaluation des énergies est corrigée grâce à la correction apportée par l’approximation GW ou les fonctionnelles hybrides. Ainsi, j’ai pu obtenir des structures électroniques correctes et exploitables afin de déterminer les potentiels de déformation. Il est notamment possible de faire varier la composition des nanofils de long de leur axe de croissance afin d’y introduire des jonctions p-N, des boîtes quantiques ou des barrières tunnel. Ces hétérostructures offrent de multiples opportunités : la faisabilité de transistors, de diodes à effet tunnel résonant ou de dispositifs à un électron basés sur les nanofils de silicium ou de III-V a ainsi déjà été démontrée. Ces matériaux permettent de réaliser des hétérostructures inédites car ils peuvent s’accommoder de forts désaccords de maille en déformant leur surface. La relaxation des contraintes structurales a toutefois un impact important sur leurs propriétés électroniques et optiques. Un des paramètres importants pour bien comprendre le comportement de ces structures quantiques est l’offset électronique ou la discontinuité énergétique. Il a été calculé pour le système InAs/InP et confronté à des études expérimentales suivant les directions de croissance. / Semiconductor nanowires are attracting much attention both for their original properties and their potential applications in opto- and nanoelectronics. The physics of nanowires and in particular materials at the base is poorly understood and difficult to characterize. In this context, the numerical simulation can provide quantitative answers to the problems posed by these objects and help to explore their potential. In particular, their crystallization is in a wurtzite (WZ) hexagonal phase but with stacking faults that result in insertions of cubic sequences. The zinc blende structure has been widely studied; the various structural, electronic and optical properties of semiconductor materials adopting this structure are well illustrated and discussed in the literature. On the other side, these properties are poorly understood for WZ. Study of WZ III-V materials and related heterostructures is the subject of this work. In particular, I have simulated the structural and electronic properties of relaxed InAs and InP and under strain condition. ab initio modeling or first principle may explore structural, electronic and dynamics of matter without any experimental prior knowledge. Here, DFT calculations are performed to model the structural and electronic properties of WZ InAs and InP. The error in the evaluation of conduction energy states has been circumvented with the use of GW approximation and hybrid functionals. Finally, I have studied band offset alignment and polarizations effects in InAs/InP WZ system.

Cette thèse porte sur deux sujets principaux: l'évaluation de la stabilité d'une horloge sur microcircuit utilisant des atomes piégés (Trapped Atom Clock on a Chip - TACC) et l'extension de cette technologie vers la réalisation d'un interféromètre atomique sur la même puce. Cette combinaison constitue la base pour la réalisation de capteurs inertiels intégrés pour la navigation. Des travaux antérieurs ont installé l'horloge et ont découvert, entre autres, des temps de cohérence très longs, qui permettent une interrogation Ramsey jusqu'à 5 s, une condition préalable pour le fonctionnement à grande stabilité. Je présente ici la première évaluation approfondie de la stabilité de l'horloge. Avec mon prédécesseur, nous avons démontré les fluctuations de fréquences relatives de 5.8 10-13 à 1 s intégrant jusqu'à 6 10-15 à 30000 s.La deuxième partie de cette thèse vise à étendre la polyvalence de notre puce atomique pour créer un interféromètre. J'ai étudié divers régimes d'interféromètres en utilisant des potentiels habillés par microondes. Le premier régime consiste à déplacer l'un des états d'horloge verticalement pendant une séquence d'horloge Ramsey. Ceci permet la mesure de gradients de potentiel en exploitant la différence de fréquences entre les deux états. Le second régime utilise des champs microondes pour générer un potentiel de double puits dans l'un des états d'horloge et un seul puits dans l'autre.À partir du seul puits, un pulse-π sur la transition d'horloge constitue la séparatrice de l'interféromètre et conduit une séparation spatiale tout en préservant le même état interne pour les deux bras de l'interféromètre. / This thesis covers two main subjects: the evaluation of the stability of a Trapped Atom Clock on a Chip (TACC) and the expansion of this technology towards creating an atom interferometer on the same chip. The combination of a clock and an interferometer on the same chip constitutes the basis for the realization of atom-based integrated inertial navigation units. Previous work installed the clock operation and discovered, among others, very long coherence times, which allow Ramsey interrogations of up to 5 s, a prerequisite for high stability operation. I present the first thorough evaluation of the clock stability. Together with my predecessor we have demonstrated relative frequency fluctuations of 5.8 10-13 at 1 s integrating down to 6 10-15 at 30,000 s. The second part of this thesis aims to expand the versatility of our atom chip to create an atom interferometer. I have studied various interferometer schemes using microwave dressed potentials and implemented these to the set-up. The first scheme, following work by P. Treutlein et al., involves displacing one of the clock states vertically during a Ramsey clock sequence thereby allowing the measurement of potential gradients by exploiting the differential frequency shift accumulated between the two states. Ramsey fringes where recorded for different durations of the splitting, resulting in a clear signal of the wavepacket separation. The second scheme uses microwave dressing to generate a double well potential in one of the clock states and a single well in the other. Starting in the single well, a π-pulse on the clock transition constitutes the beam splitter and leads to a spatial separation for the same internal state.

L’objectif central de cette thèse consiste à étudier les effets des couleurs associées au genre, particulièrement bleu et rose, sur la perception du sexe des visages. Les enregistrements électrophysiologiques de surface (potentiels évoqués cérébraux) et les données comportementales issus de mon travail indiquent que la perception du visage, au-delà de sa dimension physiologique, est soumise à l’influence de processus top-down induits par le stéréotype de la couleur bleue pour le genre masculin et de la couleur rose pour le genre féminin. Ces influences s’observent précocement au cours de l'étape d'encodage perceptif des visages. / The present thesis aims at studying the impact of the colors associated to gender, particularly blue and pink, on the perception of face gender. Our electrophysiological and behavioral data indicate that the perception of the face, beyond its physiological dimension, is subject to the influence of top-down processes induced by pink for female and blue for male stereotype. These influences are evident at early perceptual stage of face processing.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le défi proposé était d'obtenir une mesure en direct du voltage présent sur une membrane bactérienne. D'abord, nous avons construit et inséré dans nos cellules E. coli un plasmide contenant le canal ionique dépendant du voltage NaChBac (Bacillus halodurans). ha, mesure d'une discontinuité dans le courant (au voltage bien documenté correspondant à l'ouverture du canal) devait permettre de calibrer la tension appliquée. Malheureusement, la présence de courants de fuite a masqué ce signal. Parallèlement, nous avons marqué la membrane avec l'ANNINE-6plus, une sonde fluorescente potentiométrique soluble dans l'eau à large décalage Stark. La fluorescence mesurée variait de ~1,5 % pour un changement de 150 mV sur la membrane. À notre connaissance, il s'agit des premières mesures optiques en temps réel du voltage sur une membrane bactérienne, bien qu'il faille en améliorer le signal et la robustesse.

La cartographie optique est une technique qui permet de mesurer l'activité électrique transmembranaire dans les tissus excitables avec une haute résolution spatiale et temporelle et d'une manière non invasive en utilisant des sondes fluorescentes sensibles au potentiel membranaire. Récemment, les cellules souches pluripotentes induites (hiPSC) ont été introduites et adoptées par plusieurs laboratoires comme un modèle puissant pour l'étude des maladies affectant des tissus inaccessibles. La dystrophie myotonique de type 1 (DM1) est une maladie héréditaire neuromusculaire incurable qui touche plusieurs organes, notamment le cœur. Dans ce projet de maitrise, des monocouches de hiPSC dérivées en cardiomyocytes ont été générées à partir d'un individu sain (CTRL), un patient DM1-1300 et un patient DM1-300, afin d'étudier les manifestations de la DM1 au niveau cardiaque. Les monocouches de hiPSC-CM ont été marquées par une sonde sensible au voltage (di-4-ANEPPS). Le potentiel membranaire a été ensuite cartographié à l'aide d'un macroscope à épifluorescence de haute résolution spatiale et temporelle. Des cartes isochrones de l'activation ont été générées. Les durées des potentiels d'action (DPA₉₀, ₅₀), les vitesses de conduction (CV) ainsi que le temps de dépolarisation (TRise) ont été mesurés. De plus, plusieurs tests pharmacologiques ont été effectués afin de valider nos résultats obtenus par notre système d'imagerie, ainsi que la fiabilité de notre modèle in vitro. Nous avons produit un tissu cardiaque qui a démontré les mêmes caractéristiques que les cardiomyocytes natifs à différentes drogues. Ce modèle in vitro s'est avéré un bon candidat pour de futures études sur les propriétés électrophysiologiques et pharmacologiques des cellules cardiaques. L'étude effectuée sur la DM1 a révélé une réduction de la CV chez les patients DM1-1300, ainsi qu'une augmentation des TRise comparativement au CTRL. La DM1 altère l'excitabilité des cardiomyocytes, probablement en affectant le fonctionnement des différents canaux ioniques et jonctions intercellulaires indispensables à la conduction cardiaque. / Optical mapping is an imaging technique widely used to measure membrane potential of excitable tissues with high spatial and temporal resolution and in a non-invasive manner using voltage sensitive dyes (VSD). Recently, human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) have been introduced and adopted by several laboratories as a powerful model to study many diseases affecting inaccessible tissues. Myotonic dystrophy type 1 (DM1) is an incurable hereditary neuromuscular disease that affects several organs, including the heart. In this project, monolayers of hiPSC-derived cardiomyocytes were generated from a healthy individual (CTRL) and from two DM1 patients (DM1-1300 and DM1-300), in order to study the cardiac manifestations of DM1. The hiPSC-CM monolayers were loaded with the VSD di-4-ANEPPS, and the membrane potential was then mapped using a high spatial and temporal resolution epifluorescence macroscope. Isochronal activation maps were generated. The action potential durations (APD₉₀, ₅₀), the conduction velocities (CV) as well as the depolarization rise times (TRise) were measured. In addition, several known drugs were tested in order to validate the results obtained using our optical mapping system, as well as the reliability of our in vitro model. We were able to produce a cardiac tissue that has demonstrated the same characteristics as native cardiomyocytes to different drug tests. This in vitro model has proven to be an excellent candidate for future studies on the electrophysiological and pharmacological properties of the heart. The optical mapping of DM1 cardiomyocytes monolayers has revealed a reduction of CV in hiPSC-CM DM1-1300, as well as a prolonged TRise compared to CTRL. DM1 appears to alter the excitability of cardiomyocytes probably by affecting the functioning of various ion channels and gap junctions involved in the cardiac conduction.

L'utilisation de fluorofores sensibles au calcium permet de mesurer de manière non invasive l'activité des neurones. En effet, les potentiels d'actions font augmenter la concentration de calcium à l'intérieur d'une cellule, ce qui à son tour fait augmenter la fluorescence. Un dé important est de retrouver la séquence de potentiels d'actions à partir d'une mesure de fluorescence. Dans ce mémoire, nous verrons comment utiliser la fluorescence calcique pour déterminer une séquence de potentiels d'actions. Nous appliquons un algorithme basé sur l'algorithme de Viterbi et les chaînes de Markov à états cachés, développés par Deneux et al. À l'aide de cet algorithme, nous estimons les trains de potentiels d'actions ayant lieu dans un ensemble de neurones de poisson zèbres in vivo.

Les troubles des tics, comme le syndrome de Gilles de la Tourette et le trouble de tics chroniques, sont des conditions neuropsychiatriques impliquant des tics moteurs et/ou phoniques. En plus de nombreuses comorbidités, les patients qui en sont atteints ont aussi des difficultés neuropsychologiques, notamment au niveau de l’inhibition et des fonctions motrices. La thérapie cognitivo-comportementale permet d’améliorer les tics et la condition générale de ces patients. Nous avons donc enregistré, durant une tâche de compatibilité stimulus-réponse, les potentiels évoqués cognitifs et les potentiels de latéralisation motrice (lateralized readiness potential; LRP) chez 20 patients atteints de trouble des tic avant et après une thérapie cognitivo-comportementale, et chez 20 participants contrôles. Chez les patients atteints de trouble des tics, nos résultats ont révélé une apparition plus tardive de l’amorce du LRP moyenné par rapport au stimulus, une amplitude plus élevée du LRP moyenné par rapport à la réponse, et une suractivation frontale liée aux processus d’inhibition. Suite à la thérapie, le retard au niveau de la latence de l’amorce du LRP moyenné par rapport à la réponse est comblé et l’amplitude du LRP moyenné par rapport à la réponse est normalisée, mais pas la suractivation frontale liée à l’inhibition. Cela suggère donc que la thérapie induit une modification des processus prémoteurs de sélection et de préparation de la réponse, ainsi que des processus d’exécution motrice, mais n’altère pas la suractivation frontale reliée aux fonctions inhibitrices. Étant donnés ces résultats, nous suggérons que la thérapie cognitivo-comportementale induit une modification du fonctionnement des aires motrices du cerveau. / Gilles de la Tourette syndrome and chronic tic disorder are two neuropsychiatric condition involving motor and/or phonic tics. In the DSM, these two conditions are characterized as “tic disorders”. Patients with such diagnoses face numerous comorbidities, and also show multiple neuropsychological impairments, especially concerning inhibition and motor processing. Tic symptoms, as well as general condition, can be improved with a cognitive-behavioural therapy (CBT). To this end, we recorded, during a stimulus-response compatibility task, event-related potentials and lateralized readiness potentials in 20 patients with tic disorder and 20 healthy controls. Patients and controls were paired on age, sex and hand dominance. Our result revealed a delay in stimulus-locked lateralized readiness potential (LRP) onset latency, higher response-locked LRP peak amplitude and a frontal overactivation related to stimulus inhibition in GTS and CTD patients. Following CBT, stimulus-locked LRP onset latency and response-locked LRP peak amplitude were normalized, but the frontal overactivation related to inhibition processing remained unchanged. These results suggest that CBT induces a modification of pre-motor processes such as response selection and preparation, as well as motor processes like response execution, but does not affect cortical activation related to stimulus inhibition. Since we found a reduction in tic symptoms, as well as a normalization of stimulus-locked LRP onset latency and response-locked LRP peak amplitude, and because LRPs are partly generated by the supplementary motor area, we suggest that CBT leads to a modification of this structure’s functioning.