En raison de l’omniprésence des hétérocycles azotés et de leurs propriétés biologiques, une attention particulière est accordée au développement de méthodologie pour leur synthèse et leur fonctionnalisation. L’étude de la fonctionnalisation d’énamides constitue une thématique importante car ces motifs s’avèrent être des outils synthétiques polyvalents permettant d’accéder à des dérivés hétérocycliques complexes. Les réactions de couplage Pd-catalysées constituent une méthode de choix rapide et efficace pour la synthèse d'énamides, notamment à partir de phosphates d'énols issus de lactames, d’imides ou d’amides. Le premier chapitre de ce travail porte sur le couplage organopalladié C-P de phosphines boranes secondaires chirales ou achirales avec des phosphates d’énols. Ce couplage C-P original, réalisé dans des conditions douces, conduit aux énamido-phosphines boranes correspondantes et offre de nombreuses possibilités pour la constitution d’une librairie de phosphines originales. Parallèlement à ce travail, l’addition nucléophile d’anions phosphures sur divers ène-carbamates acycliques conduit à des acides alpha-aminés béta-phosphorés originaux, porteurs d’un carbone quaternaire en alpha de l’azote. Le deuxième chapitre de la thèse porte sur la préparation et la caractérisation de chromophores organiques originaux basés sur un noyau pyrazinique et qui sont susceptibles de présenter des propriétés de fluorescence. Ces composés sont conçus pour former des nouveaux systèmes sensibilisateurs de cations de lanthanides, et être utilisés comme sensibilisateurs organiques pour l'imagerie moléculaire dans le proche infrarouge. / On account of the ubiquity of nitrogen heterocycles and their biological properties, the great attention is paid to developing methodologies of their synthesis and functionalization. For this purpose, the study of functionalization of enamides constitutes an important topic due to the utility of these motifs in the construction of complex heterocyclic derivatives. Palladium-catalyzed reactions of cross- coupling are rapid and efficient methods of choice for synthesis of enamides particularly starting from enol phosphates derived from lactams, imides or amides. The first chapter of the thesis evokes the original C-P coupling reaction of chiral and achiral secondary phosphine boranes with different enol phosphates in mild reaction conditions, leading to corresponding enamido-phosphine boranes. This methodology permits the construction of libraries of novels phosphines. Also, the reaction of nucleophilic addition of phosphide anions onto various enecarbamates acyclic was elaborated, giving an access to original beta-phosphino alpha-amino acids, bearing the quaternary carbon on alpha position to nitrogen. The second chapter is devoted to the preparation and characterization of organic chromophores based on the pyrazinic core, which are likely to exhibit the fluorescence properties. These compounds were designed to form new sensitizing systems for lanthanide cations and could be used as organic sensitizers for molecular imaging in near infrared.

Le chernozem est un sol emblématique, car il a participé à la naissance de la pédologie par l’intermédiaire des travaux de Dokuchaev (1883). Depuis, la formation des chernozems a suscité de nombreuses questions parmi les pédologues, botanistes et paléo-environnementalistes. Tandis qu’en Europe de l’Est et en Eurasie les chernozems sont décrits comme des sols zonaux, typiques des milieux steppiques continentaux, les zones où on les rencontre en Europe Centrale sont prédisposées par leur climat à la présence de forêts. L’objectif de notre travail vise à enrichir ce débat en reconstituant les conditions environnementales de la pédogénèse de ces sols en Europe Centrale. Le chernozem est un sol le plus souvent développé sur lœss à horizon de surface organique très épais et sombre qui passe directement à un horizon calcaire. La matière organique a subi une lente évolution sous la dépendance de contrastes climatiques. Néanmoins, en Europe Centrale, les facteurs climatiques liés à la présence de chernozems sont à nuancer. Les chernozems sont censés s’être formés sous les conditions climatiques différentes d’aujourd’hui qui ont dominé en Europe Centrale au Tardiglaciaire et au début de l’Holocène. Si des nuances climatiques permettent d’expliquer la différence de répartition des chernozems (« plus sec ») et des luvisols (« plus humide ») à l’échelle régionale, ce n’est plus vrai à l’échelle locale où les limites entre ces sols sont très brutales, alors que les conditions de milieu sont identiques. Une théorie pour expliquer leur persistance considère que ce serait l’ouverture artificielle du milieu, continue depuis le Néolithique, qui aurait bloqué leur évolution vers d’autres types de sols. Cette hypothèse expliquerait leur répartition sous forme d’îlots ou de mosaïque, alternant avec des luvisols et des phaeozems. Nous avons privilégié dans notre questionnement l’étude des archives pédologiques, plus précisément celle des matières organiques, dont certaines ont la capacité de résider dans le sol pendant des milliers d’années. Celles-ci sont d’origine locale et permettent donc de reconstituer l’environnement végétal immédiat lors de la formation du sol. Elles ont été analysées par spectroscopie proche infrarouge qualitative (SPIR-qual). Cet outil représente une approche novatrice dans l’étude des paléo-environnements. Cette approche s’est accompagnée d’une étude pédoanthracologique sur certains paléosols et de l’analyse micromorphologique d’une catena chernozem – luvisol à l’échelle stationnelle. Nous avons montré que certains chernozems ont évolué constamment sous prairie, tandis que d’autres ont une histoire récente forestière, mais ont connu auparavant une évolution sous végétation de prairie. Les études pédoanthracologiques sur des paléochernozems pléistocènes et holocènes ont chaque fois révélé la présence de charbons de bois d’essence forestière. L’analyse micromorphologique de la catena met en évidence un chernozem qui s’est développé à partir d’un luvisol ce qui contraste avec les modèles habituels de dégradation des chernozems en luvisols. Ce travail confirme que la couverture végétale des chernozems peut selon le cas être forestière ou prairiale. Il est certain que des chernozems ont évolué pendant un laps de temps long sous forêt. Ce résultat est en contradiction avec l’hypothèse dominante, qui veut que les chernozems se développent et subsistent exclusivement sous steppe. / Chernozem became the crucial soil for the beginnings of soil science through the work of Dokuchaev from 1883. Since then the genesis of chernozems in Central Europe has raised many questions among soil scientists, botanists and paleo-environmentalists. While in Eastern Europe chernozems have been described as zonal soils, that are typical for continental steppe and forest-steppe areas, there are areas in Central Europe which are predisposed by their climatic characteristics to the presence of woodlands. The goal of this dissertation is to enrich the discussion about the genesis of chernozems by restoring the environmental conditions that were prevalent during the formation of chernozem soils in Central Europe. Chernozems are usually developed on loess with a very thick and dark organic surface which passes directly to a calcareous horizon. The organic matter underwent a polymerization in dependence on climate contrasts. However, in Central Europe, the climatic characteristics of the areas of chernozems are a bit different. These chernozems are supposed to have been formed under the climatic conditions that dominated Central Europe during the Late Glacial and the Early Holocene. The climatic nuances may contribute to the explanation of the differences in distribution of chernozems ("drier") and luvisols ("more humide") at a regional level, but they are no help at a local level with the same environmental conditions where the boundaries between chernozems and luvisols are very sharp. There is a theory about their persistence that considers the agriculture since the Neolithic being the reason for the fact that their progression to other types of soil was blocked. This theory would explain their distribution in the form of mosaic, alternating with luvisols and phaeozems. This study is focused on questioning of the memory of soils and especially of their organic matter. Some soil organic matter has the ability to persist in soils for thousands of years. Such organic matter has a purely local origin. That is why it is possible to reconstruct the vegetation from the period of time of the formation of soils. There is qualitative near infrared spectroscopy (NIRS) applied for the analysis of the soil organic matter. This method is an innovative approach to the studying of the paleoenvironments of chernozems. This approach is accompanied by a anthracological study of some paleosols and of a micromorphological analysis of a catena chernozem - luvisol on a very local scale (300 m). The NIRS analysis has proved that some chernozems developed under grassland. Other chernozems have a recent forest history, but they had also existed under grassland vegetation before. There were found some chernozems with a source of heterogeneous organic material. The charcoals studies of paleochernozems of the Pleistocene and of the Holocene have revealed the presence of woods. The micromorphological analysis of a catena between chernozem and luvisol has shown a chernozem which developed from a luvisol. That contrasts with the usual models of the degradation of chernozems into luvisols. This dissertation confirms that the vegetation cover of chernozems can be both: grassland or woodland. Certainly, chernozems also developed under forest during a period of time. This result is inconsistent with the prevailing hypothesis that claims chernozems develop and preserve exclusively under steppe. / Černozemě se staly díky Dokučajevově dizertaci z roku 1883 významné pro počátky vědy o půdě. Geneze černozemí ve Střední Evropě se dodnes těší velkému zájmu pedologů, botaniků a paleoenvironmentalistů. Zatímco ve Východní Evropě byly popsány jako zonální půdy, které jsou typické pro kontinentální stepi, existují ve Střední Evropě oblasti, jež jsou svými klimatickými vlastnostmi predestinovány pro přítomnost lesních porostů. Předkládaná dizertační práce si klade za cíl přispět k diskuzi o vzniku černozemí tím, že pojednává o environmentálních podmínkách, které byly určující při formování černozemních půd ve Střední Evropě. Černozemě se obvykle vyvíjely na spraši, jsou charakteristické svým mocným povrchovým organickým horizontem, který přímo přechází do horizontu vápenatého. Organický materiál prošel díky meziročním klimatickým rozdílům pomalou polymerizací. Ve Střední Evropě jsou ale klimatické vlastnosti černozemních oblastí odlišné. Zdejší černozemě se patrně formovaly v klimatických podmínkách, které převládaly v pozdní době ledové a raném holocénu. Klimatické nuance sice mohou na regionální úrovni přispět k osvětlení rozdílů v distribuci „suchých“ černozemí a „spíše vlhkých“ hnědozemí, ale rozhodně neřeší problematiku na lokální úrovni, kde při stejných klimatických podmínkách existují ostré přechody mezi černozemí a hnědozemí. Teorie o zachování černozemí praví, že zemědělská činnost v neolitu zabránila jejich přeměnám v další půdy. Tato teorie nabízí uspokojivé vysvětlení k rozmístění černozemních půd ve formě mozaiky, kde černozemě alternují s hnědozeměmi či šedozeměmi. Práce se zaměřuje na otázku paměti půd a jejich organického materiálu. Některý organický materiál může v půdě existovat po tisíce let, je výhradně lokálního původu, a proto je možné z něj určit vegetaci z doby formování půd. Pro analýzu půdního organického materiálu je užívána metoda infračervené spektroskopie (NIRS). Tato metoda představuje inovativní přínos ke studiu paleoenvironmentálních prvků u černozemí. Mimoto práce obsahuje i paleoantrakologickou studii vybraných pohřbených půd a mikromorfologickou analýzu katény černozem – hnědozem na malém území (300m). NIRS prokázala, že některé černozemě vznikaly pod travnatým povrchem. Jiné černozemě mají nedávnou lesní historii, ale původně se nacházely pod travnatou vegetací. Nalezeny byly i černozemě s heterogenním organickým materiálem. Výzkum uhlíku z paleočernozemí z období pleistocénu a holocénu prokázal přítomnost dřevin. Mikromorfologická analýza katény mezi černozemí a hnědozemí demonstruje, že jsou i černozemě vzniklé z hnědozemě, což kontrastuje s obvyklými modely degradace černozemí na hnědozemě. Tato dizertační práce dokazuje, že vegetace pokrývající černozemě může být dřevinné nebo travnaté povahy. Zcela jistě se černozemě vyvíjely také pod lesem. Výsledky dizertace jsou v rozporu s převládající hypotézou o tom, že černozemě vznikají a poté trvale existují výhradně pod stepí.

Thèse de doctorat présentée en vue de l'obtention du doctorat en psychologie (Ph.D). / L'enfance et l'adolescence sont des périodes uniques de la vie où les changements neuronaux favorisent l'établissement de réseaux cérébraux matures et le développement des capacités intellectuelles. Le langage est un domaine cognitif qui est, non seulement essentiel pour la communication interhumaine, mais qui contribue également au développement de nombreuse capacités et prédit de manière significative la réussite académique. Les régions cérébrales frontotemporales sont des régions clés du réseau langagier du cerveau. Il a été démontré que les neuropathologies telles que l'épilepsie des lobes frontal et temporal (ELF et ELT) interfèrent avec le développement des réseaux cérébraux du langage et provoquent des circuits cérébraux aberrants. Les patrons exacts de réorganisation des réseaux cérébraux fonctionnels ne sont toutefois, pas entièrement compris et l'association avec le profil neuropsychologique reste spéculative. Par conséquent, l'objectif principal de cette thèse est d'accroître la compréhension des altérations du réseau langagier et d'améliorer les connaissances de l'association de l'architecture du réseau et des capacités cognitives chez les enfants et les adolescents avec ELF ou ELT. La présente thèse est composée de trois articles scientifiques, les deux premiers présentant des travaux méthodologiques qui ont permis d'optimiser les méthodes appliquées dans le troisième article, l'étude empirique principale menée auprès d'enfants avec ELF et ELT. Le premier article présente le bilan neuropsychologique pédiatrique comme un outil important pour estimer les capacités cognitives et dresser un profil cognitif avec ses forces et ses faiblesses. Dans le deuxième article, l'analyse factorielle parallèle (PARAFAC) est présentée et validée comme une nouvelle technique employée pour corriger les artefacts de mouvement qui contaminent le signal hémodynamique évalué par la spectroscopie fonctionnelle proche infrarouge (fNIRS). Une meilleure qualité du signal permet une interprétation fiable de la réponse cérébrale en plis de déduire des métriques d'organisation du réseau cérébral. Le troisième article consiste en une étude empirique, où le traitement cérébral du langage, est comparé entre des enfants avec ELF et ELT, et des pairs neuroptypiques. Les schémas de connectivité fonctionnelle indiquent que le groupe de patients présente moins de connexions intra-hémisphériques dans l'hémisphère gauche et entre les hémisphères, et des connexions accrues dans l'hémisphère droit par rapport au groupe témoin. Les mesures de l'architecture du réseau révèlent en outre une efficacité de traitement local plus élevée dans l'hémisphère droit chez les enfants atteints de ELF et ELT par rapport aux enfants en bonne santé. L'architecture du réseau local de l'hémisphère gauche et la capacité intellectuelle globale dans le groupe de patients sont négativement liées, tandis que dans le groupe contrôle, aucune association de ce type n'est identifiable. Ces résultats suggèrent que la réorganisation du réseau de langage chez les enfants avec ELF ou ELT semble dans certains cas soutenir un meilleur résultat cognitif, soit lorsque l'efficacité du traitement local dans l'hémisphère gauche est diminuée. Au contraire, une plus grande efficacité de traitement local semble être une caractéristique d'un réseau de langage cérébral associé à de moins bonnes capacités cognitives. Les travaux de recherche de cette thèse de doctorat fournissent des lignes directrices pour l'utilisation de l'évaluation neuropsychologique pédiatrique, à la fois dans un contexte clinique et scientifique. L'introduction de PARAFAC pour corriger les artefacts de mouvement dans le signal fNIRS est un ajout important au pipeline de prétraitement qui permet d'augmenter la qualité du signal pour une analyse ultérieure. De futurs projets pourront s'appuyer sur cette validation initiale et étendre l'utilisation de PARAFAC pour les analyses du signal fNIRS. Sur cette base méthodologique solide, le travail empirique confirme l'incidence accrue de circuits cérébraux aberrants liés au traitement du langage chez les enfants atteints de ELF et de ELT, et soutient en outre l'efficacité du réseau local en tant que déterminant clé de l'impact de la plasticité cérébrale précoce sur les capacités cognitives. Afin de mieux comprendre les altérations du réseau en réponse aux neuropathologies et leur impact, des études avec des échantillons plus grands et de différents groupes d'âge, devraient étudier plus spécifiquement le rôle des facteurs cliniques (e.g., le type d'épilepsie, la latéralisation de l'épilepsie, le contrôle des crises, etc.) et aborder leurs influences sur le développement. À long terme, cela augmentera le pronostic des phénotypes cliniques chez les patients pédiatriques atteints de ELF et de ELT, et offrira des opportunités d'interventions précoces pour soutenir un développement typique. / Childhood and adolescence are unique periods in life where neuronal changes support the establishment of mature brain networks and the development of intellectual capacities. Language is one cognitive domain that is not only an essential part of inter-human communication but also contributes to the development of other capacities and significantly influences academic achievement. Frontotemporal brain areas are key regions of the brain's language network. Neuropathologies such as frontal and temporal lobe epilepsies (FLE and TLE) have been shown to interfere with developing brain language networks and cause aberrant cerebral circuits. The exact patterns of functional brain network reorganization are not fully understood and the association with the neuropsychological profile remains speculative. Therefore, the main objective of this thesis was to increase comprehension of language network alterations and enhance the knowledge on the association of network topology and cognitive capacities in children and adolescents with FLE or TLE. This thesis consists of three scientific articles, with the first two presenting methodological work that allowed for the optimization of the methods applied in the third article, which is the main empirical study conducted on children with FLE and TLE. The first article presents the pediatric neuropsychological assessment as a valuable tool to estimate cognitive capacities and draw a cognitive profile with strengths and weaknesses. In the second article, parallel factor analysis (PARAFAC) is presented and validated as a novel technique to correct motion artifacts that contaminate the hemodynamic signal assessed with functional near-infrared spectroscopy (fNIRS). A better signal quality is the basis for a reliable interpretation of the cerebral response and derive metrics of brain network organization. The third article consists of an empirical study where cerebral language processing is compared between children with FLE and TLE, and neuroptypical peers. Patterns of functional connectivity indicate that the patient group demonstrates fewer intra-hemispheric connections in the left hemisphere and between hemispheres, and increased connections within the right hemisphere as compared to the control group. Metrics of network architecture further reveal a higher local processing efficiency within the right hemisphere in children with FLE and TLE compared to healthy peers. Local network architecture of the left hemisphere and the overall intellectual capacity in the patient group is negatively related, while in the control group no such association is identifiable. These findings suggest that language network reorganization in children with FLE or TLE in some cases seems to support a better cognitive outcome, namely when local processing efficiency in the left hemisphere is decreased. On the contrary, a higher local processing efficiency seems to be a characteristic of a brain language network that goes along with worse cognitive capacities. The research work of this doctoral thesis provides guidelines for the use of pediatric neuropsychological assessment both in a clinical and scientific context. The introduction of PARAFAC to correct motion artifact in the fNIRS signal is an important add-on to the preprocessing pipeline that allows to increase signal quality for subsequent analysis. Future projects will be able to build on this initial validation and extend PARAFAC's use for fNIRS analysis. On this solid methodological foundation, the empirical work confirms the increased incidence of aberrant brain circuits related to language processing in children with FLE and TLE, and further supports local network efficiency as a key determinant of the impact of early brain plasticity on cognitive capacities. In order to further understand network alterations in response to neuropathologies and their impact, studies with larger samples sizes and different age groups should further investigate the specific role of clinical factors (e.g., epilepsy type, epilepsy lateralization, seizure control, etc.) and address developmental influences. Ultimately, this will increase prognosis of clinical phenotypes in pediatric patients with FLE and TLE, and offer opportunities for early interventions to support a healthy development.

La spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle (SPIRf) est une technique de neuro-imagerie noninvasive permettant de mesurer les changements de concentration d’hémoglobine oxygéné (Δ[HbO]) et désoxygéné (Δ[HbR]). Au cours des deux dernières décennies, notre groupe (et d’autres) ont combiné la SPIRf avec l'électroencéphalographie (EEG) pour effectuer des enregistrements chez des patients avec épilepsie réfractaire afin d’évaluer son potentiel comme 1) technique de cartographie cérébrale noninvasive (par exemple, localisation des aires impliquées dans le langage et localisation du foyer épileptique) et 2) comme approche noninvasive pour étudier le couplage neurovasculaire pendant les pointes épileptiques interictales ainsi que lors des crises épileptiques. Malgré des résultats prometteurs, de nombreux enjeux demeurent avant que la EEG-SPIRf puisse être implantée en pratique clinique. En effet, l’installation de l’équipement prend encore trop de temps, l’obtention de signaux de qualité nécessite encore une surveillance serrée et un certain inconfort apparaît au fur et à mesure que les enregistrements progressent dans le temps. C’est d’ailleurs pourquoi les enregistrements EEG-SPIRf ont, jusqu’à maintenant, été généralement de courte durée (c. à d. rarement plus de deux heures) avec une couverture limitée du cortex cérébral (c. à d. généralement une ou deux aires corticales) et dans un milieu contrôlé de recherche (plutôt qu’au chevet dans un milieu clinique). Compte tenu de son potentiel clinique, il y a lieu de poursuivre les efforts pour développer la EEG-SPIRf pour usage clinique. Notamment, un grand potentiel est pressenti pour la EEG-SPIRf aux soins intensifs neurologiques. D’une part, les patients qui y sont admis étant souvent comateux et/ou sous sédation, l’inconfort relié au port d’électrodes et d’optodes n’est plus en enjeu. D’autre part, ces patients présentent généralement des pathologies graves souvent associées à des anomalies épileptiformes fréquentes à l’EEG (décharges périodiques, crises subcliniques, état de mal non convulsif) dont l’impact hémodynamique sur cerveau tout comme leur prise en charge demeurent controversés. Les techniques actuellement utilisées aux soins intensifs (moniteur de pression intracrânienne, sonde de saturation veineuse jugulaire en oxygène, doppler transcrânien, EEG seul sans SPIRf) présentant des limitations, l’ajout d’une composante de SPIRf à l’EEG permettrait possiblement d’élucider l’impact de certaines de ces anomalies épileptiformes, guider leur traitement et en améliorer leur surveillance. Ainsi, cette thèse visait à 1) développer et valider un système d’EEG-SPIRf compact, sans fil et couvrant toute la tête, destinée à une surveillance à long terme de patients souffrant de divers troubles neurologiques; 2) évaluer la faisabilité et le potentiel d’une surveillance vidéo-EEG-SPIRf (vEEG-SPIRf) à long terme auprès de patients comateux admis aux soins intensifs neurologiques présentant des décharges périodiques, des crises ou un patron électrophysiologique de bouffées-suppression; et 3) étudier la dynamique neurovasculaire associée à l'état de mal épileptique non convulsif chez des patients comateux. La première et la deuxième partie du projet décrivent le développement et la validation d'un système EEG-SPIRf hybride et de "casques" EEG-SPIRf personnalisés destinés à surveiller l'hémodynamique corticale entière chez les patients neurologiques. Nous avons d'abord démontré sa performance globale chez des participants sains effectuant deux tâches cognitives spécifiques (c.-à-d. des tâches linguistiques et visuelles) en position assise (pour la première) et en pédalant sur une bicyclette (pour la seconde). Les mesures électrophysiologiques et hémodynamiques ont été validées à l'aide de deux systèmes commerciaux et ont montré, chez tous les participants, une sensibilité et une spécificité spatiotemporelle élevées. Nous avons ensuite démontré le potentiel clinique de notre système chez quatre patients souffrant de divers troubles neurologiques (par exemple, épilepsie réfractaire et maladies vasculaires cérébrales). Nous avons ainsi réalisé avec succès des enregistrements prolongés vEEG-SPIRf au chevet de tous ces patients et observé des changements hémodynamiques cliniquement pertinents et en concordance avec d’autres modalités de neuro-imagerie fonctionnelle. Une originalité particulière de ce projet réside dans sa capacité à "personnaliser" une technique d’imagerie fonctionnelle prometteuse à un environnement clinique (c.-à-d., à l’étage de neurologie et à l’unité de soins intensifs dans notre cas). Cette étude est la première à rapporter avec succès des changements hémodynamiques sur l’ensemble du cortex chez des patients neurologiques à l'aide d’une surveillance vEEG-SPIRf prolongée au chevet. Par la suite, nous avons évalué la faisabilité de la surveillance vEEG-SPIRf à long terme dans un environnement plus ardu : les soins intensifs neurologiques. Nous avons réalisé avec succès de multiples sessions de surveillance vEEG-SPIRf de très longue durée auprès de 11 patients comateux présentant différentes anomalies épileptiformes. Une augmentation significative de [HbO] et une diminution de [HbR] était présentes lors des crises. De plus, ces changements étaient relativement proportionnels à la durée des crises. Bien qu’elles étaient de moins grande amplitude, de similaires Δ[HbO] et de Δ[HbR] était présents durant les bouffées lors de patrons de bouffées-suppression et lors de décharges périodiques de basses fréquences (i.e., < 2Hz). Finalement, dans une étude subséquente, nous avons exploré l'hémodynamique corticale chez 11 patients comateux en état de mal épileptique non convulsif. Nous avons observé dans la majorité des cas, une augmentation de [HbO], du volume sanguin cérébral et du débit sanguin cérébral, mais avec des changements variables de [HbR] lors de courtes crises (inférieure à 100s). Cependant, lors de longues crises (plus de 100s), une augmentation de [HbR] était observée. Ces résultats préliminaires suggèrent que les mécanismes de couplage neurovasculaire pendant l’état de mal épileptique peuvent être dysfonctionnels chez certains patients et induire un état hypoxique, notamment lors de crises prolongées. En conclusion, les observations rapportées dans cette thèse confirment le potentiel clinique de la vEEG-SPIRf chez l'adulte, notamment pour la surveillance des patients admis aux soins intensifs neurologiques à haut risque de décharges épileptiformes. La poursuite de son développement pourrait éventuellement fournir aux neurologues et intensivistes un autre outil de surveillance neurologique. / Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is a noninvasive neuroimaging technique that measures concentration changes in oxy- and deoxyhemoglobin (Δ[HbO] and Δ[HbR]) associated with brain activity. Over the past two decades, our group (and others) have combined fNIRS with electroencephalography (EEG) to record patients with refractory epilepsy and evaluate its potential as 1) a noninvasive brain mapping technique (e.g., language area localization and localization of epileptic foci) and 2) as a noninvasive approach to study neurovascular coupling during interictal spikes as well as during seizures. Despite promising results, many challenges remain before the EEG-fNIRS can be implemented in clinical practice. Indeed, installing the equipment still takes too much time, obtaining and maintaining good signal quality still requires close monitoring, and the appearance of discomfort as the recordings progress in time. For those reasons, EEG-fNIRS recordings to date have generally been of short duration (i.e., rarely more than two hours) with limited coverage of the cerebral cortex (i.e., typically one or two cortical areas) and in a controlled research setting (rather than at the bedside in a clinical setting). Given its clinical potential, there is a need for continued efforts to develop fNIRS-EEG for clinical use. In particular, fNIRS-EEG has great potential in neurological intensive care. On the one hand, since patients admitted to the ICU are often comatose and/or sedated, the discomfort of wearing electrodes and optodes is no longer an issue. On the other hand, these patients generally present serious pathologies often associated with frequent epileptiform abnormalities on the EEG (periodic discharges, nonconvulsive seizures and status) whose hemodynamic impact on the brain, as well as their management remain controversial. The techniques currently used in intensive care units (intracranial pressure monitor, jugular venous oxygen saturation probe, transcranial Doppler, EEG alone without fNIRS) have limitations. Adding an fNIRS component to the EEG could perhaps elucidate the impact of some of these epileptiform abnormalities, guide their treatment and improve their monitoring. Thus, this thesis aimed to 1) develop and validate a compact, wireless, whole-head EEG-fNIRS system for long-term monitoring of patients with various neurological disorders; 2) to evaluate the feasibility and potential of long-term video EEG-fNIRS (vEEG-fNIRS) monitoring of comatose patients admitted to the neurological intensive care unit with periodic discharges, seizures or an electrophysiological pattern of burst-suppression; and 3) to study the neurovascular dynamics associated with nonconvulsive status epilepticus in comatose patients. The first and second parts of the project describe the development and validation of a hybrid EEG-fNIRS system and personalized EEG-fNIRS "caps" to monitor whole cortical hemodynamics in neurological patients. We first demonstrated its overall performance in healthy participants performing two specific cognitive tasks (i.e., language and visual tasks) while sitting (for the former) and pedalling a bicycle (for the latter). Electrophysiological and hemodynamic measurements were validated using two commercial systems and showed, in all participants, high sensitivity and spatiotemporal specificity. We then demonstrated the clinical potential of our system in four patients suffering from various neurological disorders (e.g., refractory epilepsy and cerebrovascular diseases). We successfully performed prolonged vEEG-fNIRS recordings at the bedside of all these patients and observed clinically relevant hemodynamic changes* in agreement with other functional neuroimaging modalities. A particular originality of this project is its ability to "customize" a promising functional imaging technique specific clinical settings (i.e., neurology ward, epilepsy monitoring unit, and intensive care unit in our case). This study is the first to successfully report hemodynamic changes across the cortex in neurological patients using extended bedside vEEG-fNIRS monitoring. Subsequently, we evaluated the feasibility of long-term vEEG-fNIRS monitoring in a more challenging environment: the neurological intensive care unit. We successfully performed multiple sessions of very long-term vEEG-fNIRS monitoring in 11 comatose patients with different epileptiform abnormalities. During seizures, a significant increase in [HbO] and a decrease in [HbR] were present. Moreover, these changes were relatively proportional to the duration of the seizures. Although they were of lesser magnitude, similar changes in [HbO] and [HbR] were present during bursts in burst-suppression patterns and with low-frequency (i.e., < 2Hz) periodic discharges. Finally, in a subsequent study, we explored cortical hemodynamics in 11 comatose patients in nonconvulsive status epilepticus. We observed in the majority of cases an increase in [HbO], CBV and CBF, but with variable changes in [HbR] during short seizures (less than 100s). However, during prolonged seizures (more than 100s), an increase in [HbR] was seen. These preliminary results suggest that neurovascular coupling mechanisms during status epilepticus may be dysfunctional in some patients and induce a hypoxic state, especially during protracted seizures. In conclusion, the observations reported in this thesis confirm the clinical potential of vEEG-fNIRS in adults, especially for monitoring patients admitted to neurological intensive care units at high risk of epileptiform discharges. Further development could eventually provide neurologists and intensivists with another tool for neurological monitoring.

Ce projet de recherche mené en collaboration industrielle avec St-Jean Photochimie Inc. / PCAS Canada vise le développement et la caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque. La quête du récoltage des photons se situant dans le proche-infrarouge a été au centre des modifications structurales explorées afin d’augmenter l’efficacité de conversion des cellules solaires de type organique et à pigments photosensibles. Trois familles de composés intégrant le motif dipyrrométhène ont été synthétisées et caractérisées du point de vue spectroscopique, électrochimique, structural ainsi que par modélisation moléculaire afin d’établir des relations structures-propriétés. La première famille comporte six azadipyrrométhènes au potentiel de coordination tétradentate sur des centres métalliques. Le développement d’une nouvelle voie synthétique asymétrique combinée à l’utilisation d’une voie symétrique classique ont permis d’obtenir l’ensemble des combinaisons de substituants possibles sur les aryles proximaux incluant les noyaux 2-hydroxyphényle, 2-méthoxyphényle et 2- pyridyle. La modulation du maximum d’absorption dans le rouge a pu être faite entre 598 et 619 nm. De même, la présence de groupements méthoxyle ou hydroxyle augmente l’absorption dans le violet (~410 nm) tel que démontré par modélisation. La caractérisation électrochimique a montré que les dérivés tétradentates étaient en général moins stables aux processus redox que leur contre-parti bidentate. La deuxième famille comporte dix dérivés BODIPY fusionnés de façon asymétrique en position [b]. L’aryle proximal a été modifié de façon systématique afin de mieux comprendre l’impact des substituents riches en électron et de la fusion de cycles aromatiques. De plus, ces dérivés ont été mis en relation avec une vaste série de composés analogues. Les résultats empiriques ont montré que les propriétés optoélectroniques de la plateforme sont régies par le degré de communication électronique entre l’aryle proximal, le pyrrole sur lequel il est attaché et le noyau indolique adjacent à ce dernier. Les maximums d’absorption dans le rouge sont modulables entre 547 et 628 nm et la fluorescence des composés se situe dans le proche- infrarouge. L’un des composé s’est révélé souhaitable pour une utilisation en photovoltaïque ainsi qu’à titre de sonde à pH. La troisième famille comporte cinq complexes neutres de RuII basés sur des polypyridines et portant un ligand azadipyrrométhène cyclométalé. Les composés ont montré une forte absorption de photons dans la région de 600 à 800 nm (rouge à proche- infrarouge) et qui a pu être étendue au-delà de 1100 nm dans le cas des dérivés portant un ligand terpyridine. L’analyse des propriétés optoélectroniques de façon empirique et théorique a montré un impact significatif de la cyclométalation et ouvert la voie pour leur étude en tant que photosensibilisateurs en OPV et en DSSC. La capacité d’un des complexes à photo-injecter un électron dans la bande de conduction du semi-conducteur TiO2 a été démontré en collaboration avec le groupe du Pr Gerald J. Meyer à University of North Carolina at Chapel Hill, premier pas vers une utilisation dans les cellules solaires à pigments photosensibles. La stabilité des complexes en solution s’est toutefois avérée problématique et des pistes de solutions sont suggérées basées sur les connaissances acquises dans le cadre de cette thèse. / This research project carried out in industrial collaboration with Saint-Jean Photochemicals Inc. / PCAS Canada aims at the development and characterization of dipyrromethene derivatives for photovoltaic applications. The quest for harvesting near- infrared photons was the central focus and various structural modifications were explored to improve the power conversion efficiency of organic and dye-sensitized solar cells (OPV and DSSC, respectively). Three families of chromophores which embedded a dipyrromethene motif were synthesized and characterized through spectroscopy, electrochemistry, X-ray diffraction and computationnal modelization in order to establish their structure-properties relationship. The first family includes six azadipyrromethenes with potential for tetradentate coordination on metallic centers. The development of a new asymmetric synthetic route together with the classical symmetric one allowed access to all possible combinations of derivatives including 2-hydroxyphenyl, 2-methoxyphenyl and 2-pyridyl substituents in the proximal position of the dipyrromethene. Modulation of the absorption maxima in the red ranged between 598 and 619 nm. Also, having methoxy or hydroxy substituents provided an increase of the violet absorption (~410 nm) as established by modelization. Electrochemical characterization showed that the tetradentate azadipyrromethenes were generally less stable towards redox processes as compared to their bidentate counter- parts. The second family includes ten asymmetric benzo[b]-fused BODIPYs where the proximal aryl was systematically modified in order to assess the impact of electron-rich substituents and fused aromatic cycles. The derivatives were further compared to a wide series of related BODIPYs. Empirical results showed the optoelectronic properties are dictated by the extend of electronic communication between the proximal aryl, the pyrrol to which it is attached and the adjacent indolic moiety. Absorption maxima in the red were modulated between 547 nm and 628 nm and the fluorescence was in the near-infrared. One compound proved to be a potential candidate for photovoltaic and pH probe applications. The third family includes five neutral RuII polypyridine complexes bearing a cyclometalated azadipyrromethene ligand. The compounds exhibit strong light absorption in the 600 – 800 nm range (red to near-infrared) that tails beyond 1100 nm in the terpyridine-based adducts. Analysis of the optoelectronic properties showed a significant impact of this novel cyclometalation strategy for dipyrromethene derivatives and paved the way for further incorporation of the resulting complexes as photosensitizers in OPV and DSSC. In collaboration with the group of Pr Gerald J. Meyer at the University of North Carolina at Chapel Hill, the capacity of one compound to photo-inject its electron into the conduction band of the TiO2 semiconductor was established, a first step towards their use in dye-sensitized solar cells. The structural instability in solution of the complexes hindered their full potential for photovoltaic applications and suggestions to improve them are proposed based on the knowledge acquired in the course of this thesis.

Cette thèse présente trois techniques innovantes de spectrométrie, l'une en domaine infrarouge, l'autre en visible, et la troisième en ultraviolet. Deux d'entres elles sont utilisées par l'instrument Spicam-Light à bord de la sonde spatiale Mars-Express pour l'étude de l'atmosphère de Mars. La troisième concerne la spectrométrie à haute résolution depuis le sol, et est dédiée aux mesures de vitesses radiales stellaires pour la recherche de planètes extrasolaires à l'Observatoire de Haute Provence avec l'Accéléromètre Astronomique Absolu.<br />L'étude présente le concept révolutionnaire des spectromètres UV et IR de l'instrument Spicam-Light à travers une description technique détaillée. Elle s'accompagne des résultats, des étalonnages, des estimations photométriques avant l'envol et des performances en vol. L'étude sur l'AAA expose le développement instrumental important de cet appareil. Elle s'accompagne des résultats obtenus pour illustrer ses performances actuelles et potentielles.

Ce mémoire par article est une étude des différences hémodynamiques entre la dextro-transposition des gros vaisseaux (TGV) avec communication interventriculaire (CIV) et la TGV avec septum intact (SI) pendant la période fœtale et périopératoire. Il est à noter que SI fait référence au septum inter ventriculaire et non au septum inter auriculaire. La présence d’une communication inter auriculaire étant, comme nous le verrons dans ce travail, un élément important de la physiologie des fœtus/nouveau-nés porteur de TGV. Le document est divisé en deux parties importantes. La première partie est composée du chapitre 1 qui présente une revue de littérature détaillant les notions importantes à la compréhension de la problématique et du chapitre 2 qui décrit la méthodologie utilisée pour répondre à la question de recherche. On détaille d’abord les méthodes d’acquisition des échocardiographies fœtales ainsi que les principales mesures effectuées à partir de celles-ci. Ensuite, on y décrit les technologies de la spectroscopie proche infrarouge avancée et de la spectroscopie à corrélation diffuse (NIRS-DCS) permettant de recueillir les données hémodynamiques sur la microvascularisation cérébrale des nouveau-nés. La seconde partie est constituée du chapitre 3 qui est le manuscrit accepté au journal Ultrasound in Obstetric & Gynecology pour publication. Celui-ci décrit les différences hémodynamiques entre les patients ayant une TGV&CIV et les TGV&SI et présente les différences retrouvées en échocardiographie fœtale et en hémodynamie cérébrale périopératoire étudiée à l’aide de la NIRS avancée. Ensuite, nous présentons dans le chapitre 4 une discussion sur les principaux impacts cliniques et sur d’éventuelles améliorations. / This master’sthesis is composed of an article and a study. They present hemodynamic differences between patients with transposition of the great arteries (TGA) and ventricular septum defect (VSD), and TGA with intact ventricular septum (IVS) during fetal and perioperative periods. This document is divided into two principal sections. The first section includes Chapter 1 that presents a review of literature detailing important notions to understand the problematic, and Chapter 2, that describes the methodology used to answer our research question. First, we detailed acquisition data and measured parameters of the fetal echocardiography exams. Then, we describe advanced near infrared spectroscopy (NIRS-DCS) technology that allowed hemodynamic data acquisition on the cerebral microvascularization of neonates. The second section is composed of Chapter 3, the manuscript accepted in Ultrasound in Obstetric & Gynecology journal for publication. The aim of this article is to describe hemodynamic differences between patients with TGA&VSD and TGA&IVS. It describes fetal echocardiography and cerebral perioperative hemodynamic differences studied with advanced NIRS. Next, we present in Chapter 4 a more detailed discussion with principal impacts on the clinical field and future improvements.