L'une des capacités humaines fondamentales est la capacité d'interpréter des symboles. Malgré plusieurs décennies de travaux en neuropsychologique et neuroimagerie sur le substrat cognitif et neuronal des représentations sémantiques, de nombreuses questions restent sans réponse. Les présents travaux de thèse tentent de démêler l'un de ces mystères: les substrats neuronaux des différentes composantes du mot sont-ils dissociables? Ce travail comporte deux composantes principales : l'une théorique et l'autre empirique. Dans la première partie, nous passons en revue les différentes positions théoriques concernant les corrélats cognitifs et neuraux des représentations sémantiques. De plus, nous proposons une distinction opérationnelle entre les dimensions moto-perceptives (c'est-à-dire les attributs des objets auxquels les mots se réfèrent perçus par les sens) et conceptuelles (c'est-à-dire l'information construite par l'intégration des multiples caractéristiques perceptives). Dans la deuxième partie, nous présentons les résultats des études menées afin d'étudier l'automaticité de la récupération, l'organisation topographique et la dynamique temporelle des dimensions moto-perceptives et conceptuelles de la signification des mots. Tout en contribuant à notre compréhension de la manière dont le sens des mots est codé dans le cerveau, les travaux présentés dans cette thèse ont des implications méthodologiques et théoriques importantes. En particulier, ils soulignent l'importance d'une intégration fructueuse entre les théories cognitives et les méthodes statistiques avancées afin d'éclairer les mystères entourant les représentations sémantiques. / One of the core human abilities is that of interpreting symbols. Notwithstanding decades of neuropsychological and neuroimaging work on the cognitive and neural substrate of semantic representations, many questions are left unanswered. The research in this dissertation attempts to unravel one of them: are the neural substrates of different components of concrete word meaning dissociated? In the first part, I review the different theoretical positions and empirical findings on the cognitive and neural correlates of semantic representations. Crucially, I propose an operational distinction between motor-perceptual dimensions (i.e., those attributes of the objects referred to by the words that are perceived through the senses) and conceptual ones (i.e., the information that is built via a complex integration of multiple perceptual features). In the second part, I present the results of the studies I conducted in order to investigate the automaticity of retrieval, topographical organization, and temporal dynamics of motor-perceptual and conceptual dimensions of word meaning. The results suggest that the neural substrates of different components of symbol meaning can be dissociated in terms of localization and of the feature of the signal encoding them, while sharing a similar temporal evolution.

Dans ce travail de thèse, nous avons montré l'importance de l'imagerie, en sus de la clinique, et plus particulièrement de la localisation de la lésion ischémique, pour la prédiction de l'évolution d'un patient après un infarctus cérébral. Pour cela, nous avons utilisé une cohorte de 428 patients victimes d'un infarctus cérébral sus-tentoriel datant de 24 à 72 heures. Ces patients ont eu une évaluation clinique et un examen en imagerie par résonance magnétique à l'inclusion et ont été suivis à trois mois et à un an après l'ictus. À partir de cette cohorte, nous avons montré que la localisation précise de l'infarctus cérébral, définie à l'échelle du voxel avec la méthode Voxel-Based Lesion-Symptom Mapping, améliorait significativement le pronostic cognitif global évalué à trois mois après l'infarctus cérébral, et ce indépendamment des variables consensuelles comme la sévérité initiale, l'âge et le volume de la lésion. Par ailleurs, l'analyse de l'intégrité du faisceau cortico-spinal (CST) en tenseur de diffusion à la phase aigüe de l'infarctus cérébral a permis d'identifier un marqueur précoce de la dégénérescence wallérienne : le ratio du nombre de fibres initial (iFNR), défini comme le nombre de fibres du CST du côté ipsilatéral à l'infarctus cérébral normalisé par le nombre de fibres du CST du côté controlatéral. L'iFNR améliorait significativement la prédiction de la récupération motrice chez les patients ayant un déficit moteur initial sévère, alors que le score clinique initial seul ne le permettait pas. / In this thesis works, we address the question of early outcome prediction after a cerebral infarct. In addition to clinical assessment, early MR Imaging of stroke location in eloquent regions and neuron fibers quantification improved the outcome prediction of cognitive functions and motor functions respectively. In that purpose, we used a large population of 428 patients with a supratentorial ischemic stroke between 24 and 72 hours after stroke onset. These patients were assessed with a magnetic resonance imaging and a clinical evaluation at baseline and were followed at three months and one year post-stroke. Using this stroke population, we demonstrated that an accurate stroke location, defined on a voxel basis with the Voxel-Based Lesion-Symptom Mapping method, significantly improved the prediction of global cognitive outcome assessed at three months post-stroke and was independent from classic predictors such as initial stroke severity, age and stroke volume. Furthermore, the analysis of corticospinal tract (CST) integrity using diffusion tensor imaging at the acute phase allowed to identify an early surrogate marker of wallerian degeneration : the initial fiber number ratio (iFNR) defined as the number of CST fibers from the ipsilateral side of stroke normalized by the number of CST fibers from the contralateral side. The iFNR significantly improved the prediction of motor recovery in stroke patients with an initial severe motor impairment, whereas initial clinical score alone could not.

L’os présente la propriété remarquable de s’adapter à son environnement et s’est forgé au cours de l’évolution des caractéristiques exceptionnelles qui fascinent les scientifiques mais aussi les ingénieurs : léger mais d’une rigidité à toute épreuve, une capacité de résistance à la fracture hors norme tout en gardant une certaine flexibilité. Ces propriétés mécaniques de l’os sont l’œuvre d’une optimisation de sa composition et d’une structure fortement hiérarchisée et organisée en multiples niveaux allant de l'échelle nanométrique à l'échelle macroscopique. L’amélioration de la prise en charge des maladies osseuses, l’optimisation des implants orthopédiques et la conception de nouveaux matériaux bio-inspirés passent par une connaissance approfondie des multiples facteurs qui déterminent les propriétés mécaniques de l’os. Dans ce travail, nous mettons l’accent sur les propriétés élastiques de l'os cortical humain à la fois aux échelles millimétrique et micrométrique. Nous avons caractérisé l’élasticité (à l’échelle mésoscopique), la composition et la microstructure de l’os cortical, à partir d’échantillons de fémur, tibia et radius prélevés sur des donneurs âgés, à l’aide d’une batterie de tests expérimentaux comportant des mesures en résonance ultrasonore spectroscopique, micro-tomographie par rayonnement synchrotron, microscopie infrarouge à transformée de Fourier et analyse biochimique. Ces mesures mettent à jour le rôle prépondérant joué par la porosité et le degré de minéralisation dans la détermination de l’élasticité et suffisent à eux seuls à en expliquer les variations. En particulier, les caractéristiques de la microstructure, comme la forme des pores, leur nombre, taille ou connectivité ne semblent pas avoir d’effets mesurables sur l’élasticité à l’échelle mésoscopique. Dans un second temps, une nouvelle approche d’homogénéisation inverse introduite dans cette thèse a permis l’estimation du tenseur des coefficients élastiques de la matrice osseuse à l’échelle microscopique. Connaissant l’élasticité de la matrice, nous avons évalué la gamme des microdéformations qui se produisent localement en réponse à des contraintes physiologiques. Les microdéformations étant à l’origine des signaux qui déclenchent la réponse des cellules mécanosensibles, ce dernier résultat devrait contribuer à une meilleure compréhension du comportement mécanique osseux au niveau microscopique. En conclusion, ce travail de thèse a permis l’obtention d’une base de données unique sur les caractéristiques élastiques de l’os cortical humain et la caractérisation des relations qui existent entre l’élasticité, la microstructure et la composition. / Bone as an important organ in human body is an extraordinary material which exhibits highly optimized properties, strong yet light weight, stiff yet flexible. Its distinct mechanical properties which fascinates not only scientists but also engineers are the results of the highly hierarchized and organized structure and the compositional properties spanning over several lengths from the nanoscale to the macroscale. Hence, a deep understanding of the parameters affecting bone mechanical behavior is necessary to better predict and treat bone diseases, improve orthopedic implants design, and engineer bio-inspired materials. In this work, a special focus is placed on human cortical bone elastic properties both at the millimeter and micrometer scales. Based on a multimodal approach (resonant ultrasound spectroscopy, synchrotron radiation micro-computed tomography, Fourier transform infrared microspectroscopy and biochemistry experiments) involving an exhaustive amount of microstructural and compositional properties, our results provide strong evidence that intra-cortical porosity and degree of mineralization are the most important determinants of bone stiffness at millimeter scale in an elderly population. Further, the other microstructure characteristics independent of porosity have non measurable effects on bone stiffness at this level. At the micrometer scale, a novel inverse homogenization approach is introduced in this work which can evaluate bone matrix anisotropic elastic properties with a good accuracy for all the stiffness constants. Based on the determined bone matrix elasticity data, we investigated the possible range of the magnitude of microstrain experienced by bone matrix. This work opens a way to better evaluate and understand bone mechanical behaviour at the micrometer level, such as the microstrain that can be sensed by osteocytes and builds the bridge to comprehensively investigate the connections between bone anisotropic properties at the millimeter and micrometer scale, and between the anisotropic microelastic properties and the characteristics at the nanometer scale.

Les travaux présentés dans ce manuscrit s’inscrivent dans un projet de thermométrie cardiaque par IRM. L’objectif de cette approche est de monitorer en temps réel le traitement des arythmies cardiaques par ablation thermique. Dans la chaine de traitement utilisée, des méthodes de recalage d’images doivent être implémentées afin d’assurer un suivi exploitable de l’ablation. En effet, les mouvements des différents organes localisés dans la (les) coupe(s) d’imagerie ont un impact sur la précision de la thermométrie IRM. Les méthodes d’estimation de mouvement doivent cependant être robustes aux différents artefacts (faible SNR, flux sanguin dans les cavités cardiaques, etc.) et utilisables en pseudo temps réel (10 images/seconde). Les travaux présentés dans ce manuscrit se concentrent sur la robustesse des méthodes de recalage d’images. Tout d’abord, le bruit inhérent aux images IRM a été intégré à l’estimation de mouvement. Ceci permet de pondérer localement les voxels de l’image dans le calcul du déplacement. Ensuite, une annulation numérique du signal chaotique du sang à l’intérieur du ventricule gauche est proposée via une segmentation semi-automatique de celuici à base de modèle déformable. Un nouveau terme, issu de la probabilité d’appartenir à ce ventricule, a été ajouté dans l’algorithme de contour actif. Les méthodes proposées apportent une amélioration de la qualité de l’estimation du mouvement. Elles sont adaptées à la chaine de traitement de thermométrie afin de les rendre automatiques dans la phase d’ablation thermique de la procédure. De plus, ces méthodes répondent aux contraintes de temps réel de la thermométrie IRM / The works presented in the manuscript are incorporated within the framework of cardiac MR thermometry. The aim of this approach is to monitor in real time the treatment of arrhy²thmias by thermal ablation. In the pipeline used in thermometry, image registration methods have to be inserted to unsure a reliable monitoring of the treatment. Indeed, motions of the different organs present in the acquisition slices have an impact on the accuracy of the MR thermometry. Furthermore, image registration has to be robust to artefacts (low SNR, blood flow in the heart cavities…) and has to be used in real time (10 images/second). The works presented in this manuscript focuses on the robustness of the image registration methods. First, the MR images inherent noise is integrated to the motion estimation. It enables the local weighting of the image’s voxels in the computing of the displacement. Then, a numerical cancelation of the chaotic blood flow signal within the left ventricle through a semi-automatic segmentation is proposed. A new term based on the probability to belong to this ventricle is added to the active contour algorithm. The proposed methods improved the quality of the motion estimation. They are adapted to the thermometry pipeline to make them automatic in the thermal ablation phase of the procedure. They are also compatible with the real-time aspect of MR thermometry.

Les protéines intrinsèquement désordonnées sont des hétéropolymères très flexibles, impliqués dans des activités cellulaires importantes (transduction du signal, reconnaissance moléculaire, traduction etc.), représentant des cibles potentielles de médicaments contre les maladies neurodégénératives et cancers, et dont les modes dynamiques définissent leur fonction biologique. Même si les états conformationnels qu'elles échantillonnent sont relativement bien connus, ce n'est pas le cas des échelles de temps de la dynamique associée. Dans ce travail nous étudions le comportement conformationnel du domaine C-terminal intrinsèquement désordonné de la nucléoprotéine de virus de Sendai (NTAIL), qui interagit avec le domaine PX de la phosphoprotéine. Des études précédentes montrent que le site d'interaction échantillonne un équilibre entre trois hélices discrètes dans l’état libre, et que l’interaction avec PX passe d’abord par la formation d'un pré-complexe, où l’une des conformation hélicoïdales de NTAIL est stabilisée, puis par sa diffusion sur la surface de PX, et enfin sa rétention sur le site de liaison. Cependant, aucun renseignement n'existe sur les échelles de temps de mouvements de la chaine de NTAIL, qui influencent certainement la cinétique de cette interaction, en particulier sa constante de vitesse d’association. Cette protéine de 124 acides aminés représente aussi un système modèle pertinent contenant à la fois de longs domaines dépliés et des régions de structure résiduelle. La mesure d’un vaste et cohérent ensemble de taux de relaxation à différents champs magnétiques et différentes températures nous a permis de caractériser la dynamique de NTAIL à un niveau de détail sans précèdent. A l’aide d’analyse « model-free » étendu, nous avons montré que les composants rapides de la fonction de corrélation nous informent sur les librations. Le mode dominant se situe à des échelles de temps autour d’une nanoseconde et est lié à l’échantillonnage de l’espace de Ramachandran par le squelette peptidique. Enfin, le composant lent (5-25 ns) nous informe sur les mouvements de segments de la chaine peptidique. La description des mouvements intrinsèques des protéines désordonnées et leurs échelles de temps contribuera à notre compréhension du comportement et des fonctions de ces protéines. / Intrinsically disordered proteins (IDPs) are highly flexible heteropolymers, implicated in important cellular activities (signal transduction, molecular recognition, transcription, translation, etc.) and representing potential drug targets against cancer and neurodegenerative diseases, whose dynamic modes define their biological function. Although the conformational states sampled by IDPs are relatively well understood, essentially nothing is known about the associated dynamic timescales. In this study we investigate the conformational behavior of the intrinsically disordered C-terminal domain of the nucleoprotein of Sendai virus (NTAIL), which interacts with the PX domain of the phosphoprotein. The interaction site has been shown to sample an equilibrium of discrete helices in the free state, which forms an encounter complex implicating the stabilization of one of the helical conformers upon interaction with PX, prior to diffusing on the surface of PX and engaging in the actual binding site. However, very little is known about the timescales of chain motions, which surely play a role in the interaction kinetics, in particular in terms of the on-rate of the interaction. This 124 amino acid protein also provides a good model system, containing long unfolded domains with chain-like dynamics and regions with residual structure. The measurement of extensive set of coherent relaxation rates at multiple magnetic fields, multiple temperatures and in three different length constructs of the same IDP has allowed us to characterize the dynamic nature of NTAIL in unprecedented detail. By analyzing the relaxation data using extended model-free approach, we show that fast (≤ 50 ps) components of the correlation function report on librational motions. A dominant mode occurs on timescales around one nanosecond, apparently reporting on backbone sampling within Ramachandran sub-states, while a slower component (5-25 ns) reports on segmental dynamics dominated by the chain-like nature of the protein. The ability to delineate intrinsic modes and timescales will improve our understanding of the behavior and function of IDPs.

La résolution actuelle des IRM pondérées en diffusion suggère qu'il y a entre un et deux tiers des voxels de la matière blanche qui contiennent plusieurs faisceaux de fibres qui se croisent. L'IRM par tenseur de diffusion (DTI) classique est intrinsèquement limitée à ces endroits par son hypothèse de base qu'un seul faisceau traverse chaque voxel de l'image. Le but de cette thèse est donc de développer des techniques d'IRM à haute résolution angulaire (HARDI) pour pouvoir retrouver une ou plusieurs fibres et surmonter aux limites DTI. L'imagerie par q-ball (QBI) est une technique récente qui permet d'estimer la distribution d'orientation des fibres (ODF). La technique de QBI ainsi que l'ODF de diffusion des fibres permettent de retrouver plusieurs directions de fibres en chaque voxel de l'image. Ceux-ci joueront donc un rôle important tout au long de ce document. Cette thèse propose plusieurs contributions originales. D'abord, nous développons l'estimation robuste du signal HARDI en utilisant une base modifiée d'harmoniques sphériques et un terme de régularisation. Ensuite, nous proposons la modélisation du coefficient de diffusion apparent (ADC) pour étudier les mesures d'anisotropie HARDI et faire la classification des voxels contenant une distribution isotrope, une distribution d'une seule population de fibres et une distribution de plusieurs faisceaux fibres. Nous proposons de plus, le développement d'une solution analytique pour estimer l'ODF de diffusion en QBI ainsi qu'un nouvel algorithme de segmentation de ces images d'ODF obtenues par le QBI. Nous présentons également le calcul de l'ODF de fibres avec une nouvelle méthode de déconvolution sphérique à partir des données QBI. Enfin, nous développons de nouveaux algorithmes de suivi de fibres (tracking) déterministes et probabilistes à partir de l'ODF du q-ball et l'ODF de fibres. Finalement, tous ces nouveaux algorithmes sont testés et appliqués sur des données HARDI simulées, sur un fantôme biologique et sur des données réelles de plusieurs sujets dans des régions complexes avec plusieurs faisceaux qui se croisent.Nos résultats illustrent clairement la valeur ajoutée de nos méthodes HARDI sur la plupart des méthodes courantes en DTI qui négligent ces faisceaux complexes, ce qui peut amener à une mauvaise analyse et interprétation de l'anatomie et des fonctions cérébrales.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude des noyaux déficients en neutrons situés au delà de la drip-line proton. Afin d'étudier le noyau de 15F, une expérience de diffusion élastique résonante d'un faisceau d'ions radioactifs d'14O sur une cible épaisse composée de protons,c'est à dire la réaction 14O(p,14O)p, a été réalisée au GANIL avec un faisceau post-accéléré SPIRAL. La fonction d'excitation du 15F a été mesurée jusqu'à 5.6MeV d'énergie dans le centre de masse et a révélé la présence de trois résonances, dont l'une correspond à un état étroit de parité négative observé pour la première fois. Cet état a été analysé comme pouvant décroître sur deux voies de décroissance, l'une correspondant à l'émission d'un seul proton et l'autre interprétée comme une émission (pγ) procédant via la queue basse énergie d'un état excité de l'14O. L'interprétation des résultats obtenus en terme de structure du noyau et l'existence d'une décroissance deux proton ou (pγ) est discutée.

Cette thèse est une étude théorique et expérimentale de l'écoulement d'un fluide dans un cylindre en précession. Elle s'inscrit dans le domaine des écoulements tournants et trouve de nombreuses applications en aéronautique (précession des objets volants avec carburant liquide) et géophysique (influence de la précession terrestre sur la dynamique du noyau externe). Pour des nombres de Reynolds modérés, l'écoulement d'un fluide en précession est une rotation solide à laquelle se superposent des ondes appelées modes de Kelvin. Ces ondes deviennent résonnantes lorsque leur fréquence propre est égale à la fréquence de précession. Afin de prédire l'amplitude d'un mode de Kelvin résonnant, une théorie visqueuse et faiblement non-linéaire a été développée puis confirmée expérimentalement. Lorsque le nombre de Reynolds augmente, l'écoulement de base devient instable. Des mesures PIV ont montré que cette instabilité est due à une interaction entre le mode forcé par la précession et deux modes de Kelvin libres. Une analyse linéaire de stabilité basée sur un mécanisme de résonance triadique entre modes de Kelvin permet de prédire correctement le seuil et le taux de croissance de l'instabilité. Cette instabilité est saturée par un mode géostrophique créé par l'interaction non-linéaire et visqueuse des modes de Kelvin libres avec eux même. En accord avec les expériences, une théorie faiblement non-linéaire montre que les amplitudes des modes de Kelvin sont stationnaires ou oscillantes (cycles intermittents) en fonction du nombre de Reynolds. Finalement, le point fixe des équations non-linéaires (système dynamique à quatre degrés de liberté) prédit correctement l'écoulement moyen à l'intérieur du cylindre, même pour des très grands nombres de Reynolds (i.e. Re>50000).

Le LHC est un collisionneur de protons d'une énergie de 14 TeV dans le centre de masse situé au CERN. Les premières collisions sont attendues à l'automne 2009. L'expérience ATLAS est l'une des deux expériences généralistes installées auprès du LHC. L'énergie disponible et la haute luminosité du LHC permettront à ATLAS de rechercher le boson de Higgs ainsi que les nouvelles particules prédites par les modèles de physique au-delà du modèle standard. Les muons occupent une place importante pour les mesures du modèle standard ainsi que pour la recherche de nouvelle physique. Cette thèse étudie la recherche directe de Z' se désintégrant en une paire de muons. Un petit nombre d'événements suffit pour découvrir un Z' ce qui est envisageable dès les premières collectes de données. On y étudiera notamment les effets de l'alignement du spectromètre à muons sur des traces de haut pT et sur le potentiel de découverte de Z' de l'expérience ATLAS. Cette analyse s'inscrivant dans le cadre du démarrage du LHC, l'alignement du spectromètre à muons n'aura pas atteint les performances nominales. Des muons de hauts pT ont été utilisés pour estimer l'impact d'un alignement dégradé sur la reconstruction de traces. Les comparaisons ont été faites en terme d'efficacité de reconstruction, de résolution en impulsion et en masse invariante, d'identification de la charge et de sensibilité à la découverte ou à l'exclusion. Pour les premières données du LHC une analyse avec le spectromètre seul est nécessaire. Enfin, une étude complète pour déterminer la géométrie initiale du spectromètre à muons en utilisant des traces sans champ magnétique toroïdal a été menée.

L'élimination des cellules apoptotiques est un évènement critique pour le maintien de l'homéostasie tissulaire et pour le contrôle des réponses immunes orchestrées par les phagocytes. A l'heure actuelle, les acteurs et en particulier les signaux « eat-me » impliqués ne sont pas encore entièrement caractérisés. C1q, élément de reconnaissance du complément, participe à la reconnaissance des structures altérées du soi et est un acteur majeur de la tolérance immune. Le travail a porté sur l'identification des signaux exposés au cours de l'apoptose et responsables de la fixation de C1q. Dans un premier temps, l'utilisation de la résonance plasmonique de surface a permis de montrer que C1q se fixe de façon précoce après induction de l'apoptose et que cette reconnaissance implique un composant membranaire. Dans un deuxième temps, différentes approches (biologie cellulaire, biochimie et biologie structurale) ont permis d'identifier la phosphatidylsérine et le désoxyribose de l'ADN comme cibles de C1q à la surface des cellules apoptotiques. Enfin, le rôle respectif au cours de l'apoptose de partenaires connus de C1q (calréticuline et p33) a été précisé. Etant donné la versatilité des propriétés de reconnaissance de C1q, cette molécule aurait donc la capacité originale de détecter et de collecter différents signaux, qui pris ensemble fourniraient un signal fort permettant l'élimination efficace des cellules apoptotiques.