Les gaz d'atomes ultra-froids sont des systèmes à N-corps quantiques extrêmement propres et versatiles qui permettent de revisiter dans un environnement contrôlé des concepts fondamentaux souvent issus de la matière condensée. Dans notre système expérimental, nous travaillons avec des gaz d'atomes de potassium 39, qui sont des bosons et qui offrent la possibilité de modifier à loisir les interactions inter-atomiques grâce à des résonances magnétiques de diffusion, ou résonances de Feshbach. Notre équipe s'intéresse particulièrement à la physique des gaz quantiques en basses dimensions et en présence de désordre. Dans un premier temps, nous présentons l’observation et l’étude de la propagation d'un soliton brillant, une onde de matière 1D en interaction attractive, à travers un potentiel désordonné créé à partir d’une figure de speckle optique. Ce travail constitue la première mise en évidence d’effets non-linéaires sur la propagation d’atomes dans un milieu désordonné. Les limites de l’expérience, notamment en terme d’imagerie et de contrôle des champs magnétiques, ont motivé le design et la construction d’une nouvelle enceinte à vide. La suite du manuscrit est dédiée à la description et la caractérisation du nouveau dispositif expérimental, de sa construction à son utilisation pour la production de condensats de Bose-Einstein. La dernière partie de cette thèse est consacrée à l’étude de la localisation d’Anderson d’atomes-froids en présence d’une force constante. La localisation d’Anderson est caractérisée par une suppression de la conductivité sous l’effet du désordre. Dans le cadre des atomes-froids, elle s’explique par la prise en compte de la nature ondulatoire des atomes pendant les processus de diffusion dans le milieu désordonné. Bien qu’à 1D la localisation soit toujours présente, des études théoriques prédisent qu’une force constante appliquée au système modifie de manière drastique les signatures de la localisation (décroissance algébrique de la fonction d’onde) et peut conduire à une délocalisation complète du système. L’étude expérimentale que nous avons menée confirme les prédictions théoriques. / Ultracold atoms gases are quantum many-body systems very clean and versatile which allow to study basic concepts of condensed matter in controlled media. In our experimental system, we work with 39 potassium atoms which are bosons and allow us to modify the interactions between atoms using magnetic resonances of diffusion also called Feshbach resonances. Our team is particulary interested in the physics of quantum gases in low dimension in the presence of disorder. First, we present the observation and study of the propagation of bright solitons, which are 1D matter wave with attractive interactions, through a disordered potentiel made from a speckle pattern of light. This study led to the first observation of nonlinear effects over the propagation of cold atoms in disorder. The limits of the experiment, especially in terms of imaging and magnetic field control, motivated the design and construction of a new vacuum chamber. The next part of the manuscript is dedicated to the description and characterization of the new experimental device, from its construction to its use for the production of Bose-Einstein condensates. The last part of this thesis is devoted to the study of Anderson localization of cold atoms in the presence of a constant bias force. Anderson localization is characterized by a suppression of conductivity under the effect of disorder. In the context of the cold atoms, it is explained by taking into account the wave nature of the atoms during the diffusion processes in the disordered medium. Even if localization is always present in 1D systems, theoretical studies predict that a constant force applied to the system drastically modifies the signatures of the localization (algebraic decay of the wave function) and can lead to a complete delocalization of the system. Our experimental study confirms the theoretical predictions.

Le domaine du spectre électromagnétique correspondant aux fréquences térahertz est encore peu exploité, pourtant, les applications nécessitant la génération, l’amplification ou la détection d’un signal térahertz sont nombreuses et intéressantes. Dans ce travail, nous nous intéressons tout particulièrement aux détecteurs plasmoniques, qui constituent une alternative prometteuse à la montée en fréquence des capteurs électroniques et l’utilisation de capteurs thermiques pour les photons de faible énergie. Les capteurs plasmoniques fonctionnent grâce au couplage entre le photon térahertz et un plasmon au sein d’un gaz d’électrons bidimensionnel (2DEG). Le plasmon-polariton est ensuite transformé en un signal continu et détectable. Nous utilisons pour cela le 2DEG présent dans l’hétérostructure AlGaN/GaN. Le couplage entre le photon et le plasmon est réalisé par un réseau métallique déposé sur la structure semi-conductrice. Tout d’abord, l’étude du couplage photon/plasmon-polariton par des simulations électromagnétiques nous a permis de connaître les fréquences de résonance des plasmons-polaritons en fonction des dimensions du réseau. Le motif de réseau composé de deux bandes de métal de largeurs différentes a été plus particulièrement étudié. Ce motif permettant aux détecteurs d’atteindre une très haute sensibilité [Coquillat et al., 2010] et n’avait pas encore été étudié du point de vue de son efficacité de couplage. Des détecteurs, dimensionnés pour notre montage de test à 0,65 THz, ont ensuite été fabriqués puis mesurés avec un réseau non-polarisé, à température ambiante et refroidis à l’azote. La correspondance entre la variation de la sensibilité en fonction de la fréquence et les spectres d’absorption mesurés au spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) montre l’importance de l’étape de couplage dans le processus de détection. Contrôler la densité électronique dans le 2DEG permet de modifier la fréquence de résonance des plasmons-polaritons et d’augmenter la sensibilité des détecteurs. Nous avons mené des développements technologiques de manière à pouvoir contrôler la densité électronique du 2DEG en appliquant une tension sur le réseau. Cette étape constitue un défi technologique compte tenu de la surface très étendue des réseaux (plusieurs mm²). Nous avons finalement fabriqué des détecteurs pour lesquels la fréquence de résonance de couplage peut être contrôlée grâce à la tension appliquée sur le réseau. / The THz-domain of the electromagnetic spectrum is not frequently used, even if the generation, amplification and detection of THz-waves would open a wide range of interesting applications. In this work, we focus on plasmonic detectors as a promising alternative to the frequency-raising of high-frequency electronic detectors and to the use of thermic detectors for low-energy photons. The coupling between a THz-photon and a plasmon in a 2D electron gas (2DEG) gives birth to a plasmon-polariton, which is then turned into a continuous, measurable signal and explains the operation of the plasmonic detector. In this work, we use the 2DEG in the semiconductive heterostructure AlGaN/GaN. A metallic grating deposited on-top of the semiconductor realises the coupling between photon and plasmon. First, we used electromagnetic simulations to study the coupling between photon and plasmon and calculate the resonant coupling frequency with respect to the grating dimensions. We studied specifically a grating pattern made of two metal stripes of different widths. This pattern gives the highest sensitivity to the detectors [Coquillat et al., 2010] and had not been studied before in term of coupling efficiency. In a second time, we fabricated detectors designed to match our 0.65 THz experimental setup. These detectors have been measured at 77 K and at room-temperature. No voltage has been applied on the grating. We saw that the sensitivity variations with respect to the incident frequency correspond to the absorption spectra measured by Fourier Transform spectrometer (FTIR), what show the importance of the coupling for the detection. Monitoring the electronic density in the 2DEG is a way to monitor the plasmon-polariton resonant frequency and the detector sensitivity. We led technological development to monitor the electronic density in the 2DEG by applying a voltage on the grating. This has been a technological challenge because of the wide grating area (a few mm²). Finally, we fabricated detectors for which it was possible to monitor the resonant absorption frequency using the grating voltage.

Les métamatériaux (MMs) sont des composants artificiels présentant des propriétés électromagnétiques qui n'existent pas dans les matériaux conventionnels naturels. Malgré des développements spectaculaires depuis les années 2000 en radiofréquence et aussi en optique, principalement en mode radiatif, les applications des MMs en optique guidée dans l'objectif de la miniaturisation des composants optoélectroniques sont restés très rares. Donc, poursuivant les recherches sur les MMs plasmoniques en optique guidée initiées par M. Kanté, Mme Ghasemi et Mme Dubrovina, ce travail de thèse constitue une contribution originale à la conception et à la réalisation de composants optoélectroniques basés sur des MMs, y compris leur simulation et leur caractérisation.Durant cette thèse, 3 composants ont été proposés dont 2 ont été réalisés et caractérisés. Ce sont littéralement les premières démonstrations d'applications des MMs à des composants compacts en optique guidée et on peut en conclure qu'une nouvelle famille de composants infrarouges est ici proposée. Cette approche considérée est générique, et elle est compatible avec les plateformes de circuit intégrés conventionnels: Si, InGaAsP / InP, silice dopé, etc. En outre, on démontre que le contrôle à la fois de la variation de l'indice effectif du guide associé au MM et de la fréquence de résonance du MM avec qui travaillent ces composants, sont accessibles simplement en modifiant les dimensions des nanofils qui les composent. Cela permettra à ces composants de fonctionner à d'autres fréquences intéressantes. / Metamaterials (MMs) are artificial components with electromagnetic properties that do not exist in conventional natural materials. Despite tremendous developments achieved since the 2000s in radiofrequency and also in optics, mainly in the radiative mode, the applications of MMs in guided optics, in order to miniaturize the conventional optoelectronic components still remain nearly blank. Following the studies on plasmonic MM in waveguided optics initiated by Mr. Kanté, Mrs. Ghasemi and Mrs. Dubrovina, this thesis work constitutes an original contribution to the design and realization of optoelectronic components based on MMs, including their simulation and characterization methods. During this thesis, 3 components have been proposed, of which 2 have been realized and characterized. These are literally the first demonstrations of MM applications to compact components in waveguided optics and it can be concluded that a new family of infrared components is proposed here. This approach is generic and compatible with conventional integrated circuit platforms: Si, InGaAsP / InP, doped silica, etc. Moreover, it is shown that the control of both the variation of the effective index of the guide associated with the MM, and the resonance frequency of the MM with which these components work, is accessible simply by modifying the dimensions of the nanowires. This will allow these components to operate at other frequencies.

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est l'une des modalités d'imagerie les plus puissantes et les plus sures pour examiner le corps humain. L'IRM de haute résolution devrait aider à la compréhension et le diagnostic de nombreuses pathologies impliquant des lésions submillimétriques ou des maladies telles que la maladie d'Alzheimer et la sclérose en plaque. Bien que les systèmes à haut champ magnétique soient capables de fournir un rapport signal-sur-bruit permettant d'augmenter la résolution spatiale, le long temps d'acquisition et la sensibilité au mouvement continuent d'entraver l'utilisation de l'IRM de haute résolution. Malgré le développement de méthodes de correction du mouvement et du bruit physiologique, le long temps d'acquisition reste un obstacle majeur à l'IRM de haute résolution, en particulier dans les applications cliniques.Au cours de la dernière décennie, la nouvelle théorie du compressed sensing (CS) a proposé une solution prometteuse pour réduire le temps d'examen en IRM. Après avoir expliqué la théorie du compressed sensing, ce projet de thèse propose une étude empirique et quantitative du facteur de sous-échantillonnage maximum réalisable grâce au CS pour l'imagerie pondérée en T ₂ *.En outre, l'application de CS en IRM repose généralement sur l'utilisation de courbes d'échantillonnage simples telles que les lignes droites, spirales ou des légères variations de ces formes élémentaires qui ne tirent pas pleinement parti des degrés de liberté offerts par le hardware et ne peuvent être facilement adaptées à une distribution d'échantillonnage arbitraire. Dans cette thèse, j'ai introduit une méthode appelée SPARKLING, qui permet de surmonter ces limitations en adoptant une approche radicalement nouvelle de la conception de l'échantillonnage de l'espace-k. L'acronyme SPARKLING signifie Spreading Projection Algorithm for Rapid K-space sampLING. C'est une méthode flexible inspirée des techniques de stippling qui génère automatiquement, grâce à un algorithme d'optimisation, des courbes d'échantillonnage non-cartésiennes optimisées et compatibles avec les contraintes hardware de l'IRM en termes d'amplitude de gradient maximale et d'accélération maximale. Ces courbes d'échantillonnage sont conçues pour répondre à des critères clés pour un échantillonnage optimal : une distribution contrôlée des échantillons et une couverture de l'espace-k localement uniforme. Avant de s'engager dans des acquisitions, nous avons vérifié que notre système de gradient était bien capable d'exécuter ces trajectoires complexes. Nous avons implémenté une méthode de mesure de phase et avons observé une très bonne adéquation entre trajectoires prescrites et mesurées.Enfin, en alliant une efficacité d'échantillonnage avec le compressed sensing et l'imagerie parallèle, les trajectoires SPARKLING ont permis de réduire jusqu'à 20 fois le temps d'acquisition d'un examen IRM T ₂ * par rapport aux acquisitions cartésiennes de référence, sans détérioration de la qualité d'image. Ces résultats expérimentaux ont été obtenus à 7 Tesla pour de l'imagerie cérébrale in vivo. Par rapport aux stratégies d'échantillonnage non-cartésiennes usuelles (spirale et radiale), la technique proposée a également permis d'obtenir une qualité d'image supérieure. Enfin, l'approche proposée a été étendue à l'imagerie 3D et appliquée à 3 Tesla pour laquelle des résultats préliminaires ex vivo à une résolution isotrope de 0.6 mm suggèrent la possibilité d'atteindre des facteurs d'accélération très élevés jusqu'à 60 pour la pondération T ₂ * et l'imagerie pondérée en susceptibilité. / Magnetic resonance imaging (MRI) is one of the most powerful and safest imaging modalities for examining the human body. High-resolution MRI is expected to aid in the understanding and diagnosis of many neurodegenerative pathologies involving submillimetric lesions or morphological alterations, such as Alzheimer’s disease and multiple sclerosis. Although high-magnetic-field systems can deliver a sufficient signal-to-noise ratio (SNR) to increase spatial resolution, long scan times and motion sensitivity continue hindering the utilization of high resolution MRI. Despite the development of corrections for bulk and physiological motion, lengthy acquisition times remain a major obstacle to high-resolution acquisition, especially in clinical applications.In the last decade, the newly developed theory of compressed sensing (CS) offered a promising solution for reducing the MRI scan time. After having explained the theory of compressed sensing, this PhD project proposes an empirical and quantitative analysis of the maximum undersampling factor achievable with CS for T ₂ *-weighted imaging.Furthermore, the application of CS to MRI commonly relies on simple sampling patterns such as straight lines, spirals or slight variations of these elementary shapes, which do not take full advantage of the degrees of freedom offered by the hardware and cannot be easily adapted to fit an arbitrary sampling distribution. In this PhD thesis, I have introduced a method called SPARKLING, that may overcome these limitations by taking a radically new approach to the design of k-space sampling. The acronym SPARKLING stands for Spreading Projection Algorithm for Rapid K-space sampLING. It is a versatile method inspired from stippling techniques that automatically generates optimized non-Cartesian sampling patterns compatible with MR hardware constraints on maximum gradient amplitude and slew rate. These sampling curves are designed to comply with key criteria for optimal sampling: a controlled distribution of samples and a locally uniform k-space coverage. Before engaging into experiments, we verified that our gradient system was capable of executing the complex gradient waveforms. We implemented a local phase measurement method and we observed a very good adequacy between prescribed and measured k-space trajectories.Finally, combining sampling efficiency with compressed sensing and parallel imaging, the SPARKLING sampling patterns allowed up to 20-fold reductions in MR scan time, compared to fully-sampled Cartesian acquisitions, for T ₂ *-weighted imaging without deterioration of image quality, as demonstrated by our experimental results at 7 Tesla on in vivo human brains. In comparison to existing non-Cartesian sampling strategies (spiral and radial), the proposed technique also yielded superior image quality. Finally, the proposed approach was also extended to 3D imaging and applied at 3 Tesla for which preliminary results on ex vivo phantoms at 0.8 mm isotropic resolution suggest the possibility to reach very high acceleration factors up to 60 for T ₂ *-weighting and susceptibility-weighted imaging.

Les métamatériaux sont des structures composites périodiques sub-longueur d’onde pouvant posséder une perméabilité et/ou une permittivité négative. Si ces deux grandeurs sont négatives simultanément, nous sommes en présence d’un matériau à indice négatif, appelés parfois matériaux « main gauche », capable donc de réfraction négative. Par le contrôle de certaines propriétés de la matière les métamatériaux offrent ainsi des comportements inexistants dans la nature. Ceci ouvre ainsi la voie à de nouvelles applications. Dans cette thèse, l’utilisation de matériaux diélectriques se justifie par la réduction d'un inconvénient majeur, les pertes. On s’affranchie en effet de la limites des pertes ohmiques dans les matériaux métalliques. Une étude numérique approfondie des résonateurs diélectriques, composants de base des métamatériaux « tout-diélectrique », a été menée à l’aide d’un logiciel commercial d’éléments finis. Cette étude a permis de mettre en évidence à l’entrée de la gamme terahertz une perméabilité, une permittivité et un indice de réfraction négatifs, pour deux céramiques particulières : le SrTiO₃ et le TiO₂. Les études paramétriques effectuées sur ces deux céramiques ont permises de mettre en évidente le rôle primordial du couplage inter-modal dans l’obtention d’un indice négatif. Nous avons également montré le caractère non conventionnel du couplage inter-modal lorsque les deux modes sont de nature différente, l’un magnétique, l’autre électrique. Il existe en effet deux régimes de couplage distincts, l’un de simple rapprochement des modes de résonances, l’autre de dégénérescence des modes où ceux-ci restent à la même fréquence sur une large gamme, chose jusqu’alors peu visible dans la littérature. En plus de cet apport théorique, nos études paramétriques ont permis de proposer une alternative au paradigme à deux résonateurs, en montrant la faisabilité d’un métamatériau à indice négatif à l’aide d’une cellule élémentaire bimodale au térahertz. / Metamaterials are periodic sub wavelength composite structures how may have a negative permeability and / or a negative permittivity. If permittivity and permeability are negative simultaneously, we are in presence of what we called a negative index material, sometimes called “left hand media", capable of negative refraction. By controlling some of these properties, metamaterials allow us to obtained behavior nonexistent in nature. This opens the way to new applications. In this thesis, the use of dielectric materials is justified by the reduction of a major downside: losses. Thanks to the removal of ohmic losses specific to metallic materials. A thorough numerical study of dielectric resonators, basic components of "all-dielectric" metamaterials, was conducted using a finite element commercial software. This study highlighted, at the beginning of the terahertz range, a negative permeability, a negative permittivity and a negative index, for two special ceramics, well known in literature: SrTiO₃ and TiO₂. The parametric studies on these ceramics have allowed to put in clear the key role of the inter-modal coupling in order to obtain a negative index. We have also shown the unconventional nature of inter-modal coupling when the two modes concerned are different: one magnetic, other electric. There are in fact two different coupling regimes: a simple progressive shifting of both resonance modes, and then the apparition of degenerative regime, where both modes are at the same frequency for a long range, something not really common in the literature. In addition to this theoretical contribution, our parametric studies have proposed an alternative to the two resonators paradigm, showing the possibility to design a negative index metamaterial with a single bimodal cell in terahertz range.

L’objectif de cette thèse était d’étudier l’impact du traumatisme psychique sur la mémoire de façon transdisciplinaire pour mieux appréhender les liens qui associent mémoire, émotion et perception de soi. Premièrement, l’analyse textométrique des témoignages recueillis entre 1 semaine et 10 ans après les attentats du 11 septembre 2001 aux États-Unis, nous a permis de préciser les modifications du contenu des souvenirs émotionnels dans le temps. De plus, nos résultats suggèrent que le contenu des souvenirs et leur évolution temporelle sont modulés par l’intensité du ressenti émotionnel au moment de l’événement. Deuxièmement, nous avons développé et utilisé un nouvel outil de méta-analyse semi-automatique, LinkDisorder, associant analyse lexicale et neuroimagerie pour explorer les corrélats neuropsychologiques du trouble de stress post-traumatique (TSPT) chez l’adulte. Les résultats révèlent que, bien que les altérations du cortex préfrontal, de l’amygdale et de l’hippocampe, qui sous-tendent les déficits mnésiques et émotionnels soient au centre de la pathologie, les altérations du processus de récompense et du striatum pourraient expliquer l’anhédonie des patients. Troisièmement, l’approche en neuropsychologie et neuroimagerie de la perception de soi dans le TSPT pédiatrique nous a permis d’explorer les modifications cérébrales fonctionnelles associées à un stress traumatique survenant à une période essentielle au développement identitaire, l’adolescence. Notre étude suggère que le TSPT pédiatrique serait associé à des anomalies fonctionnelles précoces dans les régions impliquées dans la régulation émotionnelle et la mémoire lors du processus de référence à soi. / The main aim of this thesis was to study the impact of trauma on memory in a transdisciplinary way to better understand the relationships between memory, emotion and Self. Firstly, we used textometry to explore memories from 1 week to 10 years after the 9/11 attacks, and showed the progressive changes of the content of emotional memories over time. In addition, our results revealed that the intensity of the emotional response at the time of the event could modulate the content of memories and their change over time. Secondly, we developed and used a new method of automated meta-analysis, LinkDisorder, which combines lexical analyses and neuroimaging to explore neurocognitive correlates of adult posttraumatic stress disorder (PTSD). Our meta-analysis highlights that while PTSD is characterized by functional alterations in prefrontal, amygdala and hippocampal regions underlying memory and emotional deficits, dysfunction in reward processing and of the striatum may subtend anhedonia in patients. Thirdly, using neuropsychology and neuroimaging examinations of self-perception in pediatric PTSD, we explored brain changes occurring after a traumatic stress in adolescence, a core period of life for the development of identity. Our study suggests that pediatric PTSD is associated with early functional abnormalities in the regions involved in emotion regulation and memory during self-reference processing.

L'arterial spin labelling (ASL) est une technique d'imagerie par résonance magnétique de la perfusion cérébrale. Les travaux présentés dans cette thèse ont d'abord consisté à standardiser les acquisitions ASL dans le contexte d'études de neuro-imagerie multicentriques. Un processus de contrôle de la qualité des images a par la suite été proposé. Les travaux se sont ensuite orientés vers le post-traitement de données ASL, en évaluant la capacité d'algorithmes existants à y corriger les distorsions. Des méthodes de super-résolution adaptées aux acquisitions ASL mono et multi-TI ont finalement été proposées et validées sur des données simulées, de sujets sains, ou de patients imagés pour suspicion de tumeurs cérébrales. / Arterial spin labelling (ASL) is a brain perfusion magnetic resonance imaging technique. The objective of this thesis was first to standardize ASL acquisitions in the context of multicenter neuroimaging studies. A quality control procedure has then been proposed. The capacity of existing algorithms to correct for distortions in ASL images has then been evaluated. Super-resolution methods, developed and adapted to single and multi-TI ASL data in the context of this thesis, are then described, and validated on simulated data, images acquired on healthy subjects, and on patients imaged for brain tumors.

Aorte est l'artère qui amortit et conduit le flux sanguin éjecté par le cœur en flux continu vers la périphérie. Avec l’âge, l'élasticité aortique diminue en association avec des altérations fonctionnelles et hémodynamiques de l’aorte et du cœur. Alors que l'hémodynamique artérielle a été largement étudiée par l'analyse des courbes de pression, les modifications de l’onde de débit aortique n’ont été que très peu explorées. L’imagerie IRM, couplée à une segmentation appropriée, permet une évaluation non-invasive et précise du débit sanguin aortique. Cette thèse combine ce débit mesuré en IRM avec les pressions tonométriques afin de proposer des indices quantitatives de rigidité artérielle. Ainsi, ce travail comprend: Une nouvelle approche, basée sur les ondelettes, pour estimer le temps de transit entre les ondes de flux provenant de deux sites aortiques. Ce dernier a permis de calculer la vitesse de l'onde de pouls dans la crosse, qui s’est avérée être un marqueur fort de la rigidité et de l’âge. Une analyse d'impédance aortique dans le domaine fréquentiel pour quantifier la charge pulsatile et les réflexions qui augmentent la charge exercée sur le cœur. Une quantification de la forme de l'onde de débit aortique, dont l’association avec les changements géométriques du cœur a été montrée. Une cartographie des pressions intra-aortiques absolues en utilisant les équations de Navier-Stokes. Ces nouveaux indices ont été testés sur 70 sujets sains et leur complémentarité en termes de caractérisation de l’âge et du couplage entre l'aorte et le cœur a été montrée. De futures études sur l'hypertension artérielle permettront de démontrer l'utilité clinique de nos indices. / Aorta is the artery which immediately accommodates the blood flow ejected from the heart. It buffers blood’s pulsatile momentum and conducts it smoothly towards periphery. With physiological aging, aortic elasticity diminishes significantly in association with aortic or cardiac functional and hemodynamic alterations. While aortic hemodynamics were widely studied through pressure curves analysis, proximal aorta flow patterns were only little investigated. Recent developments of cardiovascular magnetic resonance imaging (MRI) and image segmentation tools, enable an accurate non-invasive evaluation of proximal aortic blood flow. This thesis combined MRI with central pressure measurements by applanation tonometry to propose flow-indices of arterial stiffness. Indeed our work proposed: A new wavelet-based method, which enables temporal localization of signal frequencies to estimate transit-time between flow waves from two aortic sites, in order to derive aortic arch pulse wave velocity, which is a strong marker of stiffening and aging. An aortic impedance analysis in frequency domain to provide indices which reflect changes in aortic pulsatile load and wave reflection, which augments the load on the heart Quantitative flow-morphology indices which were shown to be associated with age-related changes in left heart geometry. Absolute intra-aortic pressure mapping using the Navier-Stokes equations. These new indices have been tested on 70 healthy volunteers and findings indicated their complementary nature in characterizing aging and aortic-heart coupling. Further investigations in the context of hypertension will prove the clinical usefulness of our indices.

Les chélates de Gd sont largement utilisés en tant qu’agents de contraste en imagerie par résonance magnétique. En 2015, un lien a été établi entre l’observation d’hypersignaux T1 de certaines structures cérébrales et le nombre d’administrations préalables de ces chélates de Gd reçues par les patients. Cette observation fortuite pose la question de la tolérance à long-terme de ces molécules. L’ion Gd³⁺ ayant un rayon ionique très proche de celui du Ca²⁺, il interfère avec de nombreux processus biologiques Ca²⁺-dépendants. Sa chélation par un ligand améliore considérablement sa tolérance. Les chélates de Gd sont répartis en 2 classes : macrocycliques et linéaires, différant par leur stabilité thermodynamique et donc leur tendance à se dissocier. Il est classiquement admis que les chélates de Gd ne traversent pas la barrière hémato-encéphalique saine. L’observation de ces hypersignaux au niveau du noyau dentelé du cervelet, du globus pallidus et parfois d’autres structures, remet en cause ce postulat.Les travaux de cette thèse visent à étudier le mécanisme d’accumulation du Gd dans le système nerveux central (voies de passage, localisations, spéciation du Gd accumulé). Les potentiels effets neurotoxiques associés à la présence de Gd dans le cerveau ont aussi été recherchés.Nous avons mis en évidence chez le Rat que l’accumulation cérébrale est d’autant plus importante que la stabilité thermodynamique du chélate de Gd est faible, confirmant les observations cliniques. Les hypersignaux T1 sont en effet liés à des injections répétées de chélates linéaires de Gd. Nous avons aussi établi qu’une insuffisance rénale modérée potentialise la capture cérébrale de Gd dans le cas d’un chélate de Gd linéaire. Nous avons observé que les structures cérébrales accumulent d’autant plus de Gd qu’elles sont riches en fer endogène. Une augmentation de la zincurie, après administration de chélates de Gd linéaires, a également été observée, suggérant un phénomène de transmétallation.La combinaison des techniques de fluorescence X (XRF), de microscopie électronique en transmission (TEM) et du NanoSIMS, a permis l’observation des dépôts de Gd à différentes échelles et sous différentes formes. Cela a permis de documenter les voies de passage du Gd, le rôle des métaux endogènes et du phosphore. L’analyse XRF a permis d’observer qu’au sein des noyaux cérébelleux profonds du Rat, la majorité du Gd est accumulée sous la forme de structures allongées et ramifiées. Ces structures pourraient être des vaisseaux sanguins. Le Gd serait accumulé dans l’espace périvasculaire. En TEM, des dépôts insolubles de Gd ont été observés dans les lames basales de vaisseaux, dans l’interstitium cérébelleux, et dans l’espace périvasculaire. Ces dépôts à l’apparence épineuse sont riches en phosphore, suggérant des dépôts de GdPO₄. Du Gd et du phosphore ont également été identifiés dans des cellules gliales, au sein de pigments intracellulaires de lipofuscine. Aucun dépôt de Gd n’a été trouvé chez des rats traités par un chélate de Gd macrocyclique.L’hypothèse mécanistique établie consiste en l’accès précoce des chélates de Gd au liquide céphalo-rachidien (LCR), puis leur diffusion passive dans le parenchyme proche des ventricules cérébraux, à travers l’épendyme. Arrivés dans des zones riches en métaux endogènes et/ou en phosphore, leschélates de Gd les moins stables thermodynamiquement se dissocieraient, le Gd se liant à des macromolécules endogènes, ou précipitant. La circulation du LCR le long des artérioles pénétrantes piègerait également du Gd au niveau périvasculaire. Les chélates de Gd intacts seraient éliminés par le système glymphatique périvasculaire ou « drainage périartériel intrapariétal ». On retrouve aussi du Gd probablement dissocié à ce niveau.Hormis une hypoactivité, non spécifique, les études neurocomportementales, histopathologiques et neurochimiques menées chez le Rat n’ont pas permis de mettre en évidence une toxicité avérée, même à des doses élevées. / Gd chelates are widely used as contrast agents in magnetic resonance imaging. In 2015, the finding of T1 hyperintensities in brain structures was associated with the prior administrations of these agents in patients. This observation raised the question of the long-term tolerance of these molecules. The Gd³⁺ ionic radius is very close to that of Ca²⁺, and therefore this lanthanide interferes with numerous Ca²⁺-dependent biological processes. Its chelation by a ligand considerably improves its tolerance. Gd chelates are categorized into 2 classes: macrocylic and linear agents, differing in their thermodynamic stabilities, and therefore in their ability to dissociate. It is classically admitted that Gd chelates do not cross the healthy blood-brain-barrier. The observation of these hyperintensities, in the dentate nucleus of the cerebellum, the globus pallidus, and sometimes other structures, questioned this assumption.This thesis aimed to study the mechanism of Gd accumulation in the central nervous system: access pathways, tissue and subcellular location, Gd speciation). Potential neuro-toxicological effects associated with long term Gd presence in the brain were also researched.Using a rat model, we evidenced that the lower the thermodynamic stability of Gd chelates, the greater the cerebral Gd concertation was, thus confirming clinical observations. T1 hyperintensities exclusively appeared following administrations of linear Gd chelates. We also established that moderate renal failure potentiates Gd brain uptake in the case of linear Gd chelate. We also observed that brain structures accumulate even more Gd that their endogenous Fe concentration is high. Administration of linear Gd chelates resulted in an increased zincuria. Gadolinium vs. Zn transmetalation may be responsible for this effect.The combination of X fluorescence, transmission electronic microscopy, and NanoSIMS, showed Gd deposits at various scales and in various forms. It allowed us to document Gd pathways, and the role of endogenous metals and phosphorus in this phenomenon. X fluorescence analysis depicted, in rat deep cerebellar nuclei, that the majority of Gd was accumulated in the form of elongated and ramified structures, believed to be blood vessels where Gd would be retained in the perivascular area. By means of electron microscopy in rats, Gd insoluble deposits were observed in basal lamina of vessels, in cerebellar interstitium, and in the perivascular space. These Gd deposits, of spiny aspect, were rich in phosphorus, thus suggesting the presence of GdPO₄. Co-presence of Gd and phosphorous was also identified into glial cells, accumulated in intracellular lipofuscine pigments. No Gd deposits were found in rats treated with a macrocyclic Gd chelate.The established mechanistic hypothesis consists in the early access of Gd chelates to cerebrospinal fluid, followed by their passive diffusion into the parenchyma close to cerebral ventricles, through the ependyma. Encountering areas rich in endogenous metals and/or phosphorus, the less thermodynamically stable Gd chelates would dissociate, and Gd would bind endogenous macromolecules, or precipitate. Cerebrospinal fluid circulation along penetrating arterioles would also trap Gd at the perivascular level. Intact Gd chelates would be eliminated through perivascular glymphatic pathway, or “intramural periarterial drainage”, where probably dissociated Gd is also found.Except a non-specific hypoactivity, neurobehavioural, histopathological and neurochemical studies performed in rats did not demonstrate any obvious neurotoxicity, even at high doses.

Ce projet de thèse porte sur le développement d'un dispositif instrumental basé sur les propriétés de non linéarité intrinsèques au matériau supraconducteur YBa2Cu3O7, qui restent jusqu'à présent peu explorées dans le régime radiofréquence (RF). Ceci, dans l'objectif de contrôler la commutation d'antennes supraconductrices ultrasensibles dédiées à l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM), de l'état supraconducteur à un état dissipatif. L'implémentation des antennes SHTC en imagerie permet d'atteindre les plus grandes sensibilités de détection observées actuellement en IRM à champ clinique, ce qui ouvre la voie au développement de l'imagerie moléculaire d'agents de contraste. Leur utilisation demeure cependant trop minoritaire et ce, entre autre, à cause de l'incompatibilité de la mise en œuvre des antennes YBa2Cu3O7 avec les méthodes de détection quantitative actuellement implémentées en imagerie moléculaire. Comme les techniques habituelles de découplage d'antennes ne sont pas transposables aux matériaux supraconducteurs, l'inactivation des antennes YBa2Cu3O7 à des échelles de temps compatibles avec une séquence IRM (< 1 msec) est un véritable défi, à la fois scientifique et technologique. Ce travail de recherche a pour but d'évaluer les performances de matériaux supraconducteurs à haute température critique tels que l' YBa2Cu3O7 en champ magnétique et dans le domaine des RF, en fonction de leurs propriétés nano-structurales et géométriques, et de développer un système permettant une commutation ultra rapide (ms) de l'état supraconducteur à l'état dissipatif et réciproquement, afin d'éviter le phénomène de concentration du flux magnétique lors de la phase émission, et de préserver la sensibilité du résonateur supraconducteur lors de la phase détection. / The aim of this work is to develop an instrumental device based on the nonlinear behaviour of superconducting materials such as YBa2Cu3O7 as a function of the emitted rf power, with the objective of controlling the switch between the zero resistance state and a dissipative state. This will then be applied to superconducting ultra-sensitive coils dedicated to magnetic resonance imaging (MRI). The implementation of HTS coils for biomedical imaging improves the sensitivity of the acquired images in standard clinical MRI devices. The superconducting coils are currently not implemented because of their incompatibility with quantitative detection methods used in molecular imaging today. As usual decoupling techniques for pick-up coils are not transferable to superconducting materials, the inactivation of superconducting YBa2Cu3O7 coils is a technical and a scientific challenge. The overall objective of this research work is to evaluate the performance of HTS materials in non-zero magnetic fields, in the radiofrequency regime, as a function of the nanostructural and geometric attributes of the material. Based on this, I shall develop a system for ultra-fast switch (msec) from the superconducting state to the dissipative state and vice versa, to avoid the phenomenon of of magnetic flux concentration during the emission phase.