Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Au cours de la croissance et de la maturation, le muscle squelettique subit de nombreux changements. Principalement on constate une augmentation considérable de la masse musculaire concomitante à l’augmentation de la capacité de force et plusieurs résultats suggèrent que la maturation affecte la fonction musculaire à la fois au niveau de la commande motrice et du métabolisme énergétique. Pour des raisons éthiques évidentes, la fonction musculaire n’a été que peu étudiée chez l’enfant. Malgré leur caractère strictement non-invasif les techniques de résonance magnétique n’ont été que peu utilisées pour caractériser cette fonction chez l’enfant et les résultats controversés ne permettent pas de dégager un consensus. Dans ce travail la fonction musculaire de l’enfant sain a été étudiée in vivo par Imagerie et Spectroscopie de Résonance Magnétique. Par IRM, nous nous avons mis en évidence que la capacité de force volontaire maximale d’un muscle reste proportionnelle à sa taille de l’enfance à l’âge adulte. Par ailleurs nos résultats obtenus par SRM du P31 ont clairement montré que la capacité oxydative et la production d’ATP mitochondriale était augmentée avant la puberté, illustrant que les enfants sollicitaient plus leur métabolisme aérobie que les adultes pour répondre à la demande énergétique pour une intensité donnée. De plus, nos résultats ont montré que la filière énergétique de la glycolyse anaérobie était pleinement mature dès l’enfance. Enfin, face à la difficulté pour mettre en place des études longitudinales chez l’homme nous avons développé un protocole expérimental permettant le suivi longitudinal de la fonction musculaire au cours du développement chez le rat. / Growth and maturation are accompanied by important changes in skeletal muscle function (e.g. muscle mass and strength dramatically increase). Moreover, some evidences strongly suggest that maturation significantly affects skeletal muscle function both at the neural drive and energetics levels. For ethical reasons, few studies have been performed in children. Despite their non traumatic aspect the MR techniques, it has been barely used in this context. In this work, the skeletal muscle function of healthy children has been characterized in vivo using MRI and 31P-MRS. Our results refuted the hypothesis of a motor drive immaturity in children. We did not report any change in the relationship between muscle volume measured by MRI and maximum isometric strength or in specific strength from childhood to adulthood. The ability of a given muscle volume to produce force seems not to change during growth. Then, we investigated whether development affects muscle energetics using 31P-MRS comparing prepubescent boys and men. Our results showed that, for a similar total energy cost, the aerobic contribution to ATP production was significantly higher in boys and compensated for by a reduced PCr breakdown while glycolysis was similar whatever the age. In addition, the recovery rate of PCr after the standardized exercise was faster in boys illustrating a higher maximal oxidative capacity before puberty. Finally, our understanding of skeletal muscle function in children is still limited by the difficulty to perform longitudinal studies. In that respect, we have initiated an original protocol allowing the longitudinal investigation of the gastrocnemius muscle throughout development in rat.

La myopathie némaline (MN) est une maladie neuromusculaire rare représentant la forme la plus répandue de myopathie congénitale. Elle est caractérisée par une faiblesse musculaire et la présence de structures en forme de bâtonnets au sein de la fibre musculaire squelettique. Au cours des dix dernières années, le développement de plusieurs modèles murins de MN a permis de mettre en évidence in vitro plusieurs mécanismes physiopatholgiques responsables, au moins en partie, de la faiblesse musculaire associée à la MN. Ce projet était donc dédié à la caractérisation phénotypique in vivo de la fonction musculaire squelettique de quatre modèles murins de MN reproduisant des formes humaines légères et sévères. A l’aide d’un dispositif expérimental précédemment développé au laboratoire, la fonction musculaire squelettique a été évaluée de manière strictement noninvasive à l’aide des techniques d’imagerie de résonance magnétique (IRM) multimodale (Dixon, T2, imagerie du tenseur de diffusion (DTI)) et de spectroscopie de résonance magnétique du phosphore 31 (SRM-P31) associées à des mesures mécaniques. Nous avons démontré que les altérations observées in vivo ne sont pas nécessairement similaires à celles rapportées in vitro. La SRM-P31 nous a permis de mettre en évidence des altérations métaboliques uniquement pour les formes sévères. Une absence d’infiltration intramusculaire de tissu adipeux a également été observée à l’aide de l’IRM Dixon. Enfin, les techniques d’IRM T2 et de DTI nous ont permis de déterminer des biomarqueurs noninvasifs et quantitatifs qui pourraient, à terme, permettre d’évaluer la sévérité et/ou la progression de la maladie chez les patients atteints de MN. / Nemaline myopathy (NM) is the most common of the non-dystrophic congenital myopathies and is characterized by muscle weakness and accumulation of an electron dense material (rods) within the sarcomeric units. Over the past decade, the generation of mouse models of NM allowed to identify in vitro several physiopathological mechanisms involved, at least in part, in muscle weakness in NM. This project has been devoted to the in vivo phenotypic characterization of the skeletal muscle function of mouse models mimicking mild and severe human forms of NM. Skeletal muscle function was assessed on four mouse models of NM with an original and strictly noninvasive experimental setup designed and built in our laboratory allowing 31P-magnetic resonance spectroscopy (31P-MRS) and multimodal magnetic resonance imaging (MRI) investigations, including Dixon, T2 mapping and Diffusion Tensor Imaging (DTI). Our results suggest that in vitro alterations did not necessarily translate into similar changes in vivo. 31P-MRS illustrated an altered energy metabolism only for the mouse models mimicking severe form of NM. Our Dixon MRI investigations showed that fatty infiltration was negligible. Finally, T2 maps and DTI experiments provided relevant noninvasive and quantitative biomarkers for monitoring the severity and/or the progression of NM in patients.

<p align="justify">L'Imagerie fonctionnelle par Résonance Magnétique (IRMf) a connu un développement important depuis sa découverte au début des années 1990. Basée le plus souvent sur l'effet BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent), cette technique permet d'obtenir de façon totalement non-invasive des cartes d'activation cérébrale, avec de meilleures résolutions spatiale et temporelle que les méthodes préexistantes telles que la tomographie par émission de positrons (TEP). Facilement praticable au moyen des imageurs par RMN disponible dans les hôpitaux, elle a mené à de nombreuses applications dans le domaine des neurosciences et de l'étude des pathologies cérébrales.</p><p><p align="justify">Il est maintenant bien établi que l'effet BOLD est dû à une augmentation de l'oxygénation du sang veineux dans les régions du cerveau où se produit l'activation neuronale, impliquant une diminution de la différence de susceptibilité magnétique entre le sang et les tissus environnants (la déoxyhémoglobine étant paramagnétique et l'oxyhémoglobine diamagnétique), et par conséquent un augmentation du signal si la méthode d'acquisition est sensible aux inhomogénéités de champ magnétique. Cependant, il reste encore de nombreuses inconnues quant aux mécanismes liant les variations d'oxygénation, de flux et de volume sanguin à l'augmentation de signal observée, et la dépendance du phénomène en des paramètres tels que l'intensité du champ, la résolution spatiale, et le type de séquence de RMN utilisée. La première partie de la thèse est donc consacrée à l'étude de l'effet BOLD, dans le cas particulier des contributions dues aux veines de drainage dans les séquences de type écho de gradient rendues sensibles au mouvement par l'ajout de gradients de champ. Le modèle développé montre que, contrairement au comportement suggéré par de précédentes publications, l'effet de ces gradients n'est pas une diminution monotone de la différence de signal lorsque l'intensité des gradients augmente. D'importantes oscillations sont produites par l'effet de phase dû au déplacement des spins du sang dans les gradients additionnels, et par la variation de cette phase suite à l'augmentation du flux sanguin. La validation expérimentale du modèle est réalisée au moyen de la séquence PRESTO (Principles of Echo-Shifting combined with a Train of Observations), c'est-à-dire une séquence en écho de gradient où des gradients supplémentaires permettent d'augmenter la sensibilité aux inhomogénéités de champ, et donc à l'effet BOLD. Un accord qualitatif avec la théorie est établi en montrant que la variation de signal observée peut augmenter lorsqu'on intensifie les gradients additionnels.</p><p><p align="justify">Un autre source de débat continuel dans le domaine de l'IRMf réside dans l'optimalisation des méthodes d'acquisition, au point de vue notamment de leur sensibilité à l'effet BOLD, leurs résolutions spatiale et temporelle, leur sensibilité à divers artefacts tels que la perte de signal dans les zones présentant des inhomogénéités de champ à grande échelle, et la contamination des cartes d'activation par les contributions des grosses veines, qui peuvent être distantes du lieu d'activation réel. Les séquences en écho de spin sont connues pour être moins sensibles à ces deux derniers problèmes, c'est pourquoi la deuxième partie de la thèse est consacrée à une nouvelle technique permettant de donner une pondération T2 plutôt que T2* aux images. Le principe de base de la méthode n'est pas neuf, puisqu'il s'agit de la « Préparation T2 » (T2prep), qui consiste à atténuer l'aimantation longitudinale différemment selon la valeur du temps de relaxation T2, mais il n’avait jamais été appliqué à l’IRMf. Ses avantages par rapport à d’autres méthodes hybrides T2 et T2* sont principalement le gain en résolution temporelle et en dissipation d’énergie électromagnétique dans les tissus. Le contraste généré par ces séquences est étudié au moyen de solutions stationnaires des équations de Bloch. Des prédictions sont faites quant au contraste BOLD, sur base de ces solutions stationnaires et d’une description simplifiée de l’effet BOLD en termes de variations de T2 et T2*. Une méthode est proposée pour rendre le signal constant au travers du train d’impulsions en faisant varier l’angle de bascule d’une impulsion à l’autre, ce qui permet de diminuer le flou dans les images. Des expériences in vitro montrent un accord quantitatif excellent avec les prédictions théoriques quant à l’intensité des signaux mesurés, aussi bien dans le cas de l’angle constant que pour la série d’angles variables. Des expériences d’activation du cortex visuel démontrent la faisabilité de l’IRMf au moyen de séquences T2prep, et confirment les prédictions théoriques quant à la variation de signal causée par l’activation.</p><p><p align="justify"> La troisième partie de la thèse constitue la suite logique des deux premières, puisqu’elle est consacrée à une extension du principe de déplacement d’écho (echo-shifting) aux séquences en écho de spin à l’état stationnaire, ce qui permet d’obtenir une pondération T2 et T2* importante tout en maintenant un temps de répétition court, et donc une bonne résolution temporelle. Une analyse théorique approfondie de la formation du signal dans de telles séquences est présentée. Elle est basée en partie sur la technique de résolution des équations de Bloch utilisée dans la deuxième partie, qui consiste à calculer l’aimantation d’état stationnaire en fonction des angles de précession dans le plan transverse, puis à intégrer sur les isochromats pour obtenir le signal résultant d’un voxel (volume element). Le problème est aussi envisagé sous l’angle des « trajectoires de cohérence », c’est-à-dire la subdivision du signal en composantes plus ou moins déphasées, par l’effet combiné des impulsions RF, des gradients appliqués et des inhomogénéités du champ magnétique principal. Cette approche permet d’interpréter l’intensité du signal dans les séquences à écho déplacé comme le résultat d’interférences destructives entre diverses composantes physiquement interprétables. Elle permet de comprendre comment la variation de la phase de l’impulsion d’excitation (RF-spoiling) élimine ces interférences. Des expériences in vitro montrent un accord quantitatif excellent avec les calculs théoriques, et la faisabilité de la méthode in vivo est établie. Il n’est pas encore possible de conclure quant à l’applicabilité de la nouvelle méthode dans le cadre de l’IRMf, mais l’approche théorique proposée a en tout cas permis de revoir en profondeur les mécanismes de formation du signal pour l’ensemble des méthodes à écho déplacé, puisque le cas de l’écho de gradient s’avère complètement similaire au cas de l’écho de spin.</p><p><p align="justify">La thèse évolue donc progressivement de la modélisation de l’effet BOLD vers la conception de séquences, permettant ainsi d’aborder deux aspects fondamentaux de la physique de l’IRMf.</p><p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’objectif de cette thèse est l’étude des différents aspects de l’interaction à quelques corps entre des atomes de Rydberg froids. Cette thèse a été réalisée dans le cadre d’une cotutelle entre l’Université Paris-Saclay et l’Université de Pise en travaillant sur deux différents montages expérimentaux sur des atomes de Rydberg froids : respectivement sur le Cs au Laboratoire Aimé Cotton et sur le Rb au département de Physique de l’Université de Pise. Au Laboratoire Aimé Cotton nous avons démontré l’existence des nouvelles interactions à quelques corps dans un gas gelé d’atomes de Rydberg. Ces nouvelles résonances sont la généralisation des résonances de Förster bien connues dans le domaine des atomes de Rydberg. Ces résonances agissent sur les degrés de liberté interne des atomes de Rydberg et ont l’effet d’un transfert résonant d’énergie et de population comme dans le cas des FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer). Comme dans le cas de la résonance de Förster à deux corps, les résonances FRET à trois corps sont accordées à la résonance avec un champ électrique externe et peuvent être observées pour différents nombres quantique principaux. Les effets à trois corps sont observés en absence de tout effet à deux corps et sont qualifiés de Borroméens. La présence d’un champ externe peut générer d’autres résonances entre atomes de Rydberg qui sont interdites en absence de champ électrique. Ces résonances, qu’on peut qualifier des résonances quasi-interdites, sont dues à un couplage dipole-dipole de type Förster. Nous avons identifié toutes ces résonances liées au couplage entre les niveaux de multiplicité de n différents.Dans le montage expérimental à Pise on a étudié les effets mécaniques liés à la répulsion van der Waals entre atomes de Rydberg. Nous avons étudié l’expansion due à l’interaction van der Waals dans une chaîne 1D des atomes de Rydberg de Rb qui ont étés excités avec une excitation laser hors résonance. La comparaison entre les différents désaccords de l’excitation laser démontre le rôle central joué par l’interaction van der Waals. / The aim of this thesis is to investigate different aspects of few-body interactions in cold Rydberg atoms. It has been realized in a co-tutelle program between the University of Paris-Saclay and the University of Pisa working on two different experimental set ups: one at Laboratoire Aimé Cotton on cold Cs Rydberg atoms and a second at Physics Department of Pisa on cold Rb Rydberg atoms. In Laboratoire Aimé Cotton we demonstrated the existence of new few-body interactions we observed in a frozen Rydberg gas of Cs atoms. These new resonances are a generalization of already known two-body Förster resonances. They act on the internal degrees of freedom of the Rydberg atoms leading to a resonant energy transfer analogous to the one in FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer). In analogy with Förster resonance, three-body FRETs are tuned with an external electric field and can be observed for different principal quantum number. The three-body interaction appeared in the absence of any two-body ones and for this reasons it has a Borromean character. The presence of this external electric field leads to additional resonances between Rydberg atoms supposedly forbidden. These resonances, we call quasi-forbidden Förster resonances, are due to dipole-dipole interaction as in the case of Förster resonance. We investigated these resonances finding a large number close to the allowed two-body and three-body FRET. A precise study was necessary in order to identify and discriminate these resonances from the allowed ones.In the experiment in Pisa we instead focus our attention on the mechanical effect of van der Waals repulsion between Rydberg atoms. We studied the spatial expansion due to a van der Waals interaction in a 1D chain of Rb Rydberg atoms excited with an off-resonant laser excitation. The comparison of the spatial expansion for different detuning of the laser excitation reveals the central role of the van der Waals interaction whose strength is equal to the detuning of the laser excitation.

L'exercice aérobique (AE) est associé à de nombreuses modifications fonctionnelles et anatomiques dans le cerveau humain. Par exemple, il a été démontré que l'EA modulait l'excitabilité corticale et la neurochimie immédiatement après l'exercice. Les effets d'une activité physique répétée et soutenue sur les fonctions cérébrales restent toutefois mal compris. En effet, peu de données sont disponibles permettant de déterminer si les personnes ayant une bonne condition physique présentent des modifications persistantes de l'excitabilité corticale et du métabolisme cérébral malgré les changements rapportés dans la matière grise et la matière blanche. Dans la présente étude, 20 personnes sédentaires en bonne santé (< 2 heures/semaine d'activité physique) ont été comparées à 20 personnes actives (> 6 heures/semaine d'activité physique) sur la base de mesures de l'excitabilité corticale (rMT, courbe I/O, SICI, ICF) et de la concentration de métabolites (GABA, Glx, NAA) dans la représentation corticale de la main droite. L'épaisseur corticale de la représentation du cortex moteur primaire de la main droite et la densité apparente des fibres de la voie corticospinale (CST) ont également été évaluées. L'aptitude cardiorespiratoire (VO2max) était significativement plus élevée chez les athlètes que chez les sédentaires, ce qui n'était pas le cas de l'indice de masse corporelle. Aucune différence entre les groupes n'a été constatée en ce qui concerne les mesures du rMT, du SICI et de l'ICF. Les valeurs de la courbe I/O étaient significativement plus élevées et la courbe I/O était plus prononcée chez les individus actifs. Aucune différence significative n'a été observée pour l'épaisseur corticale, la concentration de métabolites et les valeurs de diffusion de la CST. La pente de la courbe I/O était positivement corrélée à la VO2max. Les présentes données suggèrent que des niveaux élevés de capacité aérobique sont associés à une excitabilité corticale accrue dans la représentation de la main du cortex moteur primaire. / Aerobic exercise is associated with widespread functional and anatomical modifications in the human brain. For example, AE has been shown to modulate cortical excitability and neurochemistry immediately after exercise. The effects of repeated and sustained physical activity on brain function, however, remain poorly understood. Indeed, little is known about whether individuals with high levels of fitness display persistent modifications in cortical excitability and brain metabolism despite reported changes in grey and white matter. In the present study, 20 healthy sedentary individuals (< 2 hours/week AE) were compared to 20 active individuals (> 6 hours/week AE) on measures of cortical excitability (rMT, I/O curve, SICI, ICF) and metabolite concentration (GABA, Glx, NAA) in the cortical representation of the right hand. Cortical thickness of the primary motor cortex representation of the right hand and corticospinal tract (CST) apparent fiber density (AFD) were also assessed. Cardiorespiratory fitness (VO2max) was significantly higher in athletes compared to sedentary individuals whereas body mass index was not. No group differences were found on measures of rMT, SICI and ICF. I/O curve values were significantly higher, and the I/O curve was steeper in active individuals. No significant differences were observed between the groups for cortical thickness, metabolite concentration and CST diffusion values. I/O curve slope was positively correlated with VO2max. The present data suggest that high levels of aerobic fitness are associated with increased cortical excitability in the hand representation of the primary motor cortex.

Le début des années 2000 a vu la cartographie du génome humain se réaliser après 13 ans de recherche. Le défi du prochain siècle réside dans la construction du connectome humain, qui consiste à cartographier les connexions du cerveau en utilisant l’imagerie par résonance magnétique (IRM) de diffusion. Cette technique permet en effet d’étudier la matière blanche du cerveau de façon complètement non invasive. Bien que le défi soit monumental, la résolution d’une image d’IRM se situe à l’échelle macroscopique et est environ 1000 fois inférieure à la taille des axones qu’il faut cartographier. Pour aider à pallier à ce problème, ce mémoire propose une nouvelle technique de débruitage spécialement conçue pour l’imagerie de diffusion. L’algorithme Non Local Spatial and Angular Matching (NLSAM) se base sur les principes du block matching et du dictionary learning pour exploiter la redondance des données d’IRM de diffusion. Un seuillage sur les voisins angulaire est aussi réalisé à l’aide du sparse coding, où l’erreur de reconstruction en norme l2 est bornée par la variance locale du bruit. L’algorithme est aussi conçu pour gérer le biais du bruit Ricien et Chi non centré puisque les images d’IRM contiennent du bruit non Gaussien. Ceci permet ainsi d’acquérir des données d’IRM de diffusion à une plus grande résolution spatiale que présentement disponible en milieu clinique. Ce travail ouvre donc la voie à un meilleur type d’acquisition, ce qui pourrait contribuer à révéler de nouveaux détails anatomiques non discernables à la résolution spatiale présentement utilisée par la communauté d’IRM de diffusion. Ceci pourrait aussi éventuellement contribuer à identifier de nouveaux biomarqueurs permettant de comprendre les maladies dégénératives telles que la sclérose en plaques, la maladie d’Alzheimer et la maladie de Parkinson.

Les fibres optiques utilisées pour le transfert d'information présentent des pertes de signal pendant leur propagation. Ainsi, ces signaux ont besoin d'être régulièrement amplifiés. De nos jours, l'Amplification Raman, basée sur le principe de diffusion Raman stimulée, est une des techniques utilisées pour réaliser ces amplifications. Les nanoparticules de métaux nobles ont des propriétés optiques uniques provenant de l'oscillation collective des électrons lorsqu'elles interagissent avec une onde électromagnétique. Ces particules absorbent fortement le champ électromagnétique à une fréquence appelée fréquence de résonance de plasmon de surface. Ce travail de thèse concerne l'influence des nanoparticules métalliques sur l'amélioration de l'Amplification Raman. Il s'inscrit dans le cadre du projet ANR Fenoptic (2010-2012), réunissant l'entreprise Draka et plusieurs laboratoires français (ICB Dijon, CMCP Paris, LPCML Lyon), qui s'intéressent à l'intégration des nanoparticules de métaux nobles à l'intérieur des fibres optiques afin d'utiliser la résonance de plasmon de surface pour améliorer l'efficacité des amplificateurs optiques. Dans ce travail, différentes sources de nanoparticules métalliques ont été examinées (suspensions, couches, préformes de fibre optique). Les expériences ont porté sur la caractérisation (forme et position du plasmon) de nanoparticules de métaux nobles incluses en matrices vitreuses ainsi que sur des mesures de spectroscopie Raman au travers desquelles le phénomène de Diffusion Raman Exaltée de Surface (SERS) a particulièrement été étudié. Pour la première fois, nous avons mis en évidence l'exaltation du signal Raman d'une matrice vitreuse.

La stabilité linéaire des jets axisymétriques est étudiée dans un contexte global, c'est à dire en prenant en compte sans approximation la géométrie et le non-parallélisme de l'écoulement. Afin de caractériser le "mode préféré" du jet observé expérimentalement et numériquement, différentes analyses ont été mises en oeuvre. Une conjecture étant que ces structures à une résonance entre des perturbations extérieures et le mode propre le moins atténué, une analyse modale de l'écoulement a tout d'abord été effectuée. Cette étude a demandé la mise au point d'une méthode numérique spécifique pour pouvoir traiter les écoulements compressibles de manière efficace. Cependant, les résultats ont montré qu'une représentation modale n'est pas adaptée pour décrire la dynamique des écoulements stable dominés par l'advection. Des modèles simplifiés permettant de mieux comprendre les limites de cette approche sont présentés. Cette dynamique peut cependant être caractérisée par le calcul des perturbations optimales et du forçage harmonique optimal. Cette dernière approche reproduit de manière robuste les observations expérimentales concernant la fréquence et la structure spatiale du "mode préféré". La structure de ce paquet d'onde global est interprétée comme provenant de la coopération entre différentes familles de modes locaux. L'analyse présentée dans cette thèse montre que le "mode préféré" du jet ne vient pas de la résonance d'un mode propre, mais qu'il s'agit en fait d'une pseudo-résonance.

Les sources d'ions de type RCE sont issues de la recherche sur la fusion et ont, en quelques sorte, révolutionnées le domaine des sources d'ions multichargés. Ces équipements ont permis à la fois d'augmenter les performances des accélérateurs actuels (énergies, type d'ions, intensités) permettant par la même l'exploration de nouveaux domaines de Physique (matériaux, agrégats etc...) comme d'ouvrir de nouvelles voies plus applicatives : hadronthérapie, traitement de surface, etc... Ce mémoire expose les développements réalisés au GANIL / CIMAP sur les développements techniques et théoriques de ce type d'équipement afin de proposer de nouvelles versions soit plus performantes soit plus versatiles dans leurs applications / utilisations. Dans ce mémoire trois exemples d'utilisation de sources RCE sont développés : utilisation des ions multichargés comme sonde pour l'étude Physique des agrégats de fullerènes ; production de faisceaux d'ions multichargés mais de taille micrométriques et la modification des propriétés physiques d'une surface de Ti-6Al-4V grâce à l'implantation d'ions multichargés multiénergies. Gageons que toutes les études et développements autour de ces sources verront voir l'apparition de nouvelles applications prometteuses aussi bien dans le domaine de la Physique fondamentale que dans celui d'applications sociétales.