Le modèle standard de la physique des particules, bien qu'étant une réussite incontestable n'explique toujours pas certaines observations, ce qui pourrais indiquer la présence d'une nouvelle physique. L'expérience ATLAS cherche à mettre en évidence ces nouveaux phénomènes en analysant les collisions de protons du LHC.Le prérequis pour toute analyse est d'avoir des données de bonne qualité. La première partie de cette thèse présente donc une étude sur les bouffées de bruit cohérent présentes dans les calorimètres à argon liquide d'ATLAS. Ce bruit a été traité pour garder un haut niveau de qualité des données.La deuxième partie de cette thèse se place dans le cadre de la recherche de nouvelle physique. Une résonance est cherchée dans le spectre en masse invariante des paires de quarks top. L'étude se concentre sur le cas des quarks top boostés se désintégrant de manière électronique. Cette topologie n'ayant jusqu'à présent pas été optimisée par la collaboration ATLAS, le travail de cette thèse a consisté à définir et développer une nouvelle méthode appelée "electron-in-jet removal" permettant d'améliorer la reconstruction des quarks top dans un tel régime.Cette méthode donne accès à des électrons qui auparavant étaient rejetés. Il faut donc mesurer les facteurs correctifs à appliquer pour corriger les imperfections de la simulation de ces électrons. Des mesures préliminaires de facteurs d'échelle d'identification sur les électrons se trouvant dans un jets ont ainsi été menées. Deux méthodes sont présentées ainsi qu'une réflexion sur les perspectives à apporter à ces mesures. / The standard model of particle physics is a very predictive theory, but it still fails to explain some observations and so leads to the idea of the existence of new physics. To discover it experimentally, the ATLAS collaboration analyses the proton-proton collisions provided by the LHC.Analyses need data of good quality. Hence, the first part of this document describes a work to characterize the coherent noise bursts observed in the liquid argon calorimeters of the ATLAS experiment. Such noise has been studied and cured to ensure a high level of data quality.The second part of this thesis takes place in the context of a new physics search using top quark pairs. This study is focused on the case where boosted top quarks decay electronically. The reconstruction of top quarks in such cases was never optimized by the ATLAS collaboration. Therefore this study has lead to the definition and implementation of a new method called "electron-in-jet removal" improving significantly the top quark reconstruction in such topologies.This new method gives access to electrons that were previously removed. The correction factor applied to correct the imperfections of the simulation should then be computed for those electrons. Some preliminary measurements have been performed for the cases where the electron is within a jet. Two methods are presented as well as thoughts about future implementations.

Avec l'intégration de circuits intégrés de plus en plus denses, le besoin d'outils de caractérisation adaptés à ces échelles se fait ressentir. Identifier et analyser les problèmes de fiabilité survenant dans ces structures à des dimensions inférieures à 100 nm demande la mise au point d'instruments innovants. Ce travail de thèse a consisté dans un premier temps à développer un appareil à champs proches sensible aux propriétés mécaniques de surface, et dans un second temps à analyser les résultats expérimentaux en s'appuyant sur des approches analytiques et/ou numériques. Désigné sous le nom de microscope à force atomique à résonance de contact (CR-AFM), cet appareil est sensible à la rigidité effective de films minces sur substrat, ce qui lui permet de cartographier la rigidité mécanique de films minces. Nous avons mené un important travail de développement instrumental afin d'obtenir des résultats expérimentaux répétables et fiables, condition indispensable à une analyse quantitative. Puis nous avons utilisé le CR-AFM sur divers échantillons : empilements modèles (films de silice sur silicium, avec épaisseurs variables de silice), films de silice avec porosité variable, structures damascènes d'interconnexion cuivre,… Des images traduisant les variations d'élasticité de surface ont ainsi pu être construites. Pour quantifier ces variations, nous avons analysé nos résultats à l'aide de différents modèles (approches analytiques et numériques). Des simulations par éléments finis ont été réalisées pour étayer ces résultats. / The reduction of feature size in integrated circuits has raised an increasing need for characterization tools displaying small-scale resolution. Reliability issues taking place in these structures with dimensions below 100 nm require the development of innovative instruments. This thesis has first focused on the development of near field apparatus displaying sensitivity to surface mechanical properties. Afterwards analytical and numerical modelings have been developed to analyze the obtained experimental data. Known as contact resonance atomic force microscope (CR-AFM), this apparatus is sensitive to the effective stiffness of thin film on substrate, allowing the mapping of the mechanical stiffness. A significant work on the apparatus setting-up and procedure has been done to obtain repeatable and reliable experimental data, which is a prerequisite for quantitative analysis. Then CR-AFM experiments have been done on various samples: model stacks (silica thin films on silicon with varying silica thickness), silica films with tuned porosity, Damascene copper interconnect structures,… The mapping of elastic stiffness of such samples has been built-up. In order to quantify these contrasts, our experimental results have been analyzed through different models (analytical and numerical). Finite element simulations were also performed to support these results.

Cette thèse présente la conception et la mise en œuvre d'un imageur CMOS pour être utilisé dans biocapteurs intégrés basés sur Résonance Plasmonique de Surface (SPR). Tout d'abord, les conditions optimales pour la résonance plasmon dans une interface compatible CMOS / post-CMOS sont obtenus par modélisation avec COMSOL. Deuxièmement, un imageur CMOS de Colonne Actif (CMOS-ACS) du 32x32 pixels est mis en œuvre sur une technologie CMOS 0,35 um. Dans une interface d'or-eau avec une excitation de prisme, on constate que pour les prismes avec des indices de réfraction de 1,55 et 1,46, le couplage optimal avec le plasmon est obtenu pour des films d'or d'une épaisseur de 50 et 45 nm, respectivement. Dans ces conditions, environ 99,19% et 99,99% de l'énergie de la lumière incidente est transférée à le surface plasmon pour les deux prismes respectivement, à condition que la lumière incidente, avec une longueur d'onde de 633 nm, arrive avec un angle d'incidence de 68,45° et 79,05° respectivement. Il est également obtenu qu'un changement de RIU 10-4 de l'indice de réfraction du milieu diélectrique, produit un changement de 0,01 ° dans l'angle de résonance de plasmons qui, dans un schéma de modulation d'intensité de lumière produit une variation de 0,08% dans la lumière réfléchie au photodétecteur. En ce qui concerne le imageur CMOS, une photodiode n-well/p-substrate est choisi comme l'élément de photodétection, en raison de sa faible capacité de jonction, ce qui conduit à un rendement élevé et le gain de conversion élevé comparativement à une photodiode n-diff/p-substrate. Des simulations sur ordinateur avec Cadence et Silvaco produit une capacité de jonction de 31 FF et 135 fF respectivement. Le pixel de l'imageur est basé sur une configuration à trois transistors (3T) et présente un facteur de remplissage de 61%. Le circuit de lecture utilise une technique de capteur de colonne actif (ACS) pour réduire le bruit à motif fixe (Fixed Pattern Noise ou FPN en anglais) liée au le Capteur à Pixels Actif (APS) traditionnelle. En outre, Non-Corrélés Echantillonnage Double (Non-Correlated Double Sampling ou NCDS en anglais) et Delta double échantillonnage (DDS) sont utilisés comme techniques de réduction du bruit. Un montage optique expérimental est utilisé pour caractériser les performances de l'imageur, et nous avons obtenu un gain en conversion de 7,3 uV/e-, une capacité de jonction de la photodiode de 22 fF, un bruit de lecture de 324,5 uV, ce qui équivaut à 45 électrons, et une gamme dynamique de 50,5 dB. Les avantages de l'ACS et NCDS-DDS sont observées dans le niveau faible de FPN du pixel et de la colonne, avec une valeur de 0,09% et 0,06% respectivement. Le travail présenté dans cette thèse est une première étape vers l'objectif de développer une plateforme entièrement intégrée SPR pour biocapteurs, incorporant source de lumière, l'interface SPR, canal microfluidique, les éléments d'optique et imageur CMOS. / This dissertation presents the design and implementation of a CMOS imager for use in integrated biosensors based on Surface Plasmon Resonance. First, the optimal conditions for plasmon resonance in a CMOS/Post-CMOS compatible interface are obtained by COMSOL modelling. Second, a 32x32-pixel CMOS-Active Column Sensor (CMOS-ACS) is implemented on 0.35 um CMOS technology. In a gold-water interface with prism excitation, it is found that for prisms showing refractive indexes of 1.55 and 1.46, optimal plasmon coupling is obtained for gold films with thicknesses of 50 and 45 nm respectively. Under these conditions, approximately 99.19% and 99.99% of the incident light's energy is transferred to the surface plasmon for both prism respectively, provided that the incident light, with a wavelength of 633 nm, arrives with incidence angles of 68.45° and 79.05° respectively. It is also obtained that a change of 10-4 RIU in the refractive index of the dielectric medium, produces a change of 0.01° in the plasmon resonance angle, which under a light intensity modulation scheme produces a change of 0.08% in the reflected light's energy reaching the photodetector. Concerning the CMOS imager, a n-well/p-substrate photodiode is selected as the photosensing element, due to its low junction capacitance, which results in high efficiency and high conversion gain compared to the n-diff/p-substrate photodiode. Computer simulations with Cadence and Silvaco produced a junction capacitance of 31 fF and 135 fF respectively. The imager's pixel is based on a three-transistor (3T) configuration and shows a fill factor of 61%. The readout circuitry employs an Active Column Sensor (ACS) technique to reduce the Fixed Pattern Noise (FPN) associated with traditional Active Pixel Sensors (APS). Additionally, Non-Correlated Double Sampling (NCDS) and Delta Double Sampling (DDS) are used as noise reduction techniques. An experimental optical setup is used to characterize the performance of the imager, obtaining a conversion gain of 7.3 uV/e-, a photodiode junction capacitance of 21.9 fF, a read noise of 324.5 uV, equivalent to ~45 e- and a dynamic range of 50.5 dB. The benefits of ACS and NCDS-DDS are observed in the low pixel and column FPN of 0.09% and 0.06% respectively. The work presented in this thesis is a first step towards the goal of developing a fully integrated SPR-biosensing platform incorporating light source, SPR interface, microfluidic channel, optical elements and CMOS imager.

L'électroencéphalographie (EEG) est une technique d'imagerie cérébrale non invasive importante, capable d'enregistrer l'activité neuronale avec une grande résolution temporelle (ms), mais avec une résolution spatiale faible. Le problème inverse en EEG est un problème difficile, fortement sous-déterminé : des contraintes ou des a priori sont nécessaires pour aboutir à une solution unique. Récemment, l'intégration de signaux EEG et d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (fMRI) a été largement considérée. Les données EEG et fMRI relatives à une tâche donnée, reflètent les activités neuronales des mêmes régions. Nous pouvons donc supposer qu'il existe des cartes spatiales communes entre données EEG et fMRI. En conséquence, résoudre le problème inverse en EEG afin de trouver les cartes spatiales des sources EEG congruentes avec celles obtenues par l'analyse de signaux fMRI semble être une démarche réaliste. Le grand défi reste la relation entre l'activité neuronale électrique (EEG) et l'activité hémodynamique (fMRI), qui n'est pas parfaitement connue à ce jour. La plupart des études actuelles reposent sur un modèle neurovasculaire simpliste par rapport à la réalité. Dans ce travail, nous utilisons des a priori et des faits simples et généraux, qui ne dépendent pas des données ou de l'expérience et sont toujours valides, comme contraintes pour résoudre le problème inverse en EEG. Ainsi, nous résolvons le problème inverse en EEG en estimant les sources spatiales parcimonieuses, qui présentent la plus forte corrélation avec les cartes spatiales obtenues par fMRI sur la même tâche. Pour trouver la représentation parcimonieuse du signal EEG, relative à une tâche donnée, on utilise une méthode (semi-aveugle) de séparation de sources avec référence (RSS), qui extrait les sources dont la puissance est la plus corrélée à la tâche. Cette méthode a été validée sur des simulations réalistes et sur des données réelles d'EEG intracrânienne (iEEG) de patients épileptiques. Cette représentation du signal EEG dans l'espace des sources liées à la tâche est parcimonieuse. En recherchant les fonctions d'activation de fMRI similaires à ces sources, on déduit les cartes spatiales de fMRI très précises de la tâche. Ces cartes fournissent une matrice de poids, qui impose que les voxels activés en fMRI doivent être plus importants que les autres voxels dans la résolution du problème inverse en EEG. Nous avons d'abord validé cette méthode sur des données simulées, puis sur des données réelles relatives à une expérience de reconnaissance de visages. Les résultats montrent en particulier que cette méthode est très robuste par rapport au bruit et à la variabilité inter-sujets. / Electroencephalography (EEG) is an important non-invasive imaging technique as it records the neural activity with high temporal resolution (ms), but it lacks high spatial resolution. The inverse problem of EEG is underdetermined and a constraint or prior information is needed to find a unique solution. Recently, EEG-fMRI integration is widely considered. These methods can be categoraized in three groups. First group uses the EEG temporal sources as the regressors in the generalized linear method (GLM) which is used to analyze the fMRI data. The second group analyzes EEG and fMRI simultaneously which is known as fusion technique. The last one, which we are interested in, uses the fMRI results as prior information in the EEG inverse problem. The EEG and fMRI data of a specific task, eventually reflect the neurological events of the same activation regions. Therefore, we expect that there exist common spatial patterns in the EEG and the fMRI data. Therefore, solving the EEG inverse problem to find the spatial pattern of the EEG sources which is congruent with the fMRI result seems to be close to the reality. The great challenge is the relationship between neural activity (EEG) and hemodynamic changes (fMRI), which is not discovered by now. Most of the previous studies have used simple neurovascular model because using the realistic model is very complicated. Here, we use general and simple facts as constraints to solve the EEG inverse problem which do not rely on the experiment or data and are true for all cases. Therefore, we solve the EEG inverse problem to estimate sparse connected spatial sources with the highest correlation with the fMRI spatial map of the same task. For this purpose, we have used sparse decomposition method. For finding sparse representation of the EEG signal, we have projected the data on the uncorrelated temporal sources of the activity. We have proposed a semi-blind source separation method which is called reference-based source separation (R-SS) and extracts discriminative sources between the activity and the background. R-SS method has been verified on a realistic simulation data and the intracranial EEG (iEEG) signal of five epileptic patients. We show that the representation of EEG signal in its task related source space is sparse and then a weighted sparse decomposition method is proposed and used to find the spatial map of the activity. In the weighted sparse decomposition method we put fMRI spatial map in the weighting matrix, such that the activated voxels in fMRI are considered more important than the other voxels in the EEG inverse problem. We validated the proposed method on the simulation data and also we applied the method on the real data of the face perception experiment. The results show that the proposed method is stable against the noise and subject variability.

Les glycosaminoglycanes (GAG) forment une famille de polysaccharides linéaires retrouvés dans tous les tissus, au niveau des matrices extracellulaires et des surfaces cellulaires. Les héparanes sulfates (HS) sont des membres importants de cette famille et sont liés à une protéine dite cœur pour former ensemble le protéoglycane (PG). Selon le tissu et la nature de la protéine cœur, les HS, composés d'unités disaccharidiques de N-acétylglucosamine (GlcNAc) et d'acide glucuronique (GlcA) [-4GlcAβ1-4GlcNAcα1-] vont subir de nombreuses modifications. En effet, les HS sont modifiés par différentes sulfatations au niveau des deux oses et une épimérisation de l'acide glucuronique en acide iduronique (IdoA). Les différentes structures saccharidiques élaborées vont pouvoir être alors interagir avec une très grande quantité de protéines et jouer des rôles divers dans l'inflammation, la prolifération cellulaire, l'angiogenèse, la réponse immunitaire, l'attachement viral…L'étude de la structure des HS, du fait de la nature flexible et hétérogène de ces molécules, a été principalement focalisée sur des analyses fragmentaires du polysaccharide au niveau des séquences d'interaction avec les protéines. Lors de ces dépolymérisations, des informations sur le polysaccharide, notamment l'épimérisation, sont perdues.Dans ce travail, nous avons développé une approche basée sur la résonance magnétique nucléaire (RMN) bidimensionnelle 1H-13C pour l'étude de la composition saccharidique des HS réalisée directement à partir des HS isolés de cellules marquées au 13C. Pour cela, un protocole efficace de marquage et de purification des polysaccharides a été mis en place. En intégrant le volume des pics à différents déplacements chimiques par RMN, cette analyse non-destructive permet de déterminer à la fois le profil de sulfatation et d'épimérisation des HS. Cette analyse est appliquée efficacement à différents types cellulaires et est de grand intérêt pour mieux comprendre les changements dans les structures d'HS qui ont lieu lors de régulations physiologiques ou lors de développement pathologiques.Ces résultats ont permis d'ouvrir la voie à l'analyse des HS directement au niveau des cellules par RMN du solide. Les études dans ce contexte représentent un enjeu majeur pour la compréhension des différents rôles des HS et leur capacité à interagir avec une myriade de protéines in vivo. / Glycosaminoglycans (GAGs) belong to a linear polysaccharide family which are found within all tissues, at the extracellular matrix and cell surfaces levels. Heparan Sulfates (HS) are one of the major members of this family, they are bound to a core protein to form altogether the so-called proteoglycan (PG). Depending on the localization and on the core protein, the HS – composed of a N-acetylglucosamine (GlcNAc) and a glucuronic acid (GlcA) [-4GlcAβ1-4GlcNAcα1-] building block – undergo various modifications. Indeed, HS can be sulfated at different positions on both monosaccharide and the GlcA can be epimerized into an iduronic acid (IdoA). The fine structures of the polysaccharide will be able to interact with a large range of proteins and play a plethora of roles such as in inflammation processes, cell proliferation, angiogenesis, immune responses, viral attachment…The HS structural studies, due to the flexibility and heterogeneity of the polysaccharide, have so far been restricted to HS fragments able to bind proteins. The depolymerization techniques induce valuable information losses such as epimerization.In this work, we have successfully developed a nuclear magnetic resonance (NMR)-based approach to study HS features from 13C metabolically enriched cells. For this, an effective protocol to label and purify HS has been set up. By integrating peaks' volumes at well-resolved 1H-13C chemical shifts by NMR, the sulfation, epimerization and disaccharide profile can be determined from full-length HS. This method has been used to study HS from various cell types and is of important interest to better understand changes in HS structures that occur through physiologic and pathologic events.The results obtained open the way to analyze HS directly at the cell surface via solid state NMR techniques. In this context, these studies are a major challenge to decipher the different roles of HS and their ability to interact with so many partners in vivo.

Le cerveau humain et les nombreuses fonctions qu'il sous-tend sont le fruit de multiples héritages évolutifs. Parmi ceux-ci, les mécanismes émotionnels qui nous permettent d'identifier les événements néfastes ou bénéfiques de notre environnement et d'y réagir, semblent primordiaux pour notre survie. Pour cela, ces mécanismes sont en étroite interaction avec toutes les modalités sensorielles ainsi qu'avec le système moteur. L'objectif de ce travail de thèse a été de mieux comprendre (1) les interactions qui peuvent exister entre un des systèmes perceptifs le plus sollicité chez l'humain : la vision, et le traitement émotionnel, et (2) le lien entre la dimension émotionnelle et motrice associée aux stimuli visuels. Par ailleurs, de nombreuses études sur le système visuel humain précisent que l'information en fréquences spatiales est cruciale dans la perception visuelle. Par conséquent, dans un premier objectif de recherche, nous avons cherché à comprendre dans quelle mesure les propriétés fréquentielles de l'information visuelle peuvent être utiles à la perception des stimuli émotionnels. Dans la littérature, cette problématique a été principalement étudiée pour la perception de visages expressifs. Dans cette thèse, nous avons travaillé avec des scènes émotionnelles complexes afin d'estimer dans quelle mesure les précédentes conclusions peuvent être généralisées à tous les stimuli émotionnels. Notre première étude en imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf) a montré que, comme pour les visages expressifs, l'information grossière en basses fréquences spatiales est cruciale lors de la perception de scènes émotionnelles. Toutefois, la perception n'est qu'une étape dans le traitement de l'information ; nous sommes, en effet, habituellement amenés à évaluer les situations de notre environnement et à y réagir. C'est pourquoi, dans un second objectif de recherche, nous avons cherché à comprendre les interactions qui peuvent également exister entre les propriétés fréquentielles du système visuel et deux grandes évaluations affectives explicites : l'évaluation du ressenti émotionnel et celle de la tendance à agir. Deux nouvelles études, l'une comportementale, l'autre en IRMf, nous ont permis de montrer que l'ensemble de l'information en fréquences spatiales semble utile pour l'évaluation du ressenti émotionnel alors que l'information en hautes fréquences spatiales semble cruciale pour l'évaluation de la tendance à l'action. L'ensemble de ces travaux suggère l'existence d'une flexibilité dans l'utilisation de l'information en fréquences spatiales qui serait dépendante du type de traitement réalisé sur l'information émotionnelle. / The human brain and the numerous cognitive functions associated to it are the product of several evolutionary heritages. Among these, the emotional mechanisms, which enable us to identify and react to harmful or beneficial events, seem to be essential to survive. In order to do so, these mechanisms closely interact with all sensory modalities, as well as with the motor system. The aim of this work was to better understand (1) the interactions between one of most important sensory systems for human beings –eyesight- and the emotional processing, as well as (2) the link between the emotional and the motor charactersitics associated with the emotional stimuli. Moreover, numerous studies on the human visual system specify that the spatial frequency information is crucial to visual perception. Therefore, as the primary objective of this research, we sought to assess to what extent the frequency properties of visual information may be useful to the perception of emotional stimuli. In the scientific literature, this issue has mainly been studied through the perception of emotional faces. For this thesis, we have worked with complex emotional scenes so as to check to what extent previous conclusions concerning emotional faces can be extended to all emotional stimuli. Our first study in functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) showed that, as for emotional faces, coarse information in low spatial frequencies is essential for the perception of emotional scenes. However, perception is only one step in the processing of information. Indeed, we are usually made to assess events taking place in our environment and to react to them. That is why, as the second objective of this research, we sought to understand the interactions between the frequency properties of the visual system and two major explicit affective assessments – emotional and motivational appraisal. Two new studies - one in behavioral studies and the other one in fMRI - made it possible for us to show that the full range of spatial frequency information seems useful to assess emotional appraisal, whereas high spatial frequencies information seems crucial for motivational appraisal. This work suggests the existence of a flexible use of spatial frequency information depending on the emotional processing involved.

Les méthodes de prédiction structurale constituent une alternative relativement efficace aux approches expérimentales pour donner un premier aperçu du repliement natif d'une protéine. L'écart entre le nombre de structures et de séquences protéiques disponibles dans les bases de données ne cesse en effet de croître depuis l'arrivée des technologies de séquençage à haut débit. Cette forte croissance des informations génomiques a remis à l'ordre du jour des techniques modélisant les données capturées au cours de l'évolution. La conservation d'une fonction protéique impose de fortes contraintes sur les contacts impliqués dans le repliement et la fonction se traduisant par une trajectoire évolutive commune. Une fois détectées, ces interactions peuvent aider à modéliser la conformation d'une protéine. Les méthodes résolvant la structure tridimensionnelle des protéines à partir des données évolutives présentent encore plusieurs limitations notamment pour la détection des contacts faux positifs. Ces problèmes restent similaires à ceux rencontrés en détermination de structure par spectrométrie de Résonnance Magnétique Nucléaire où l'intégration des données est un processus clairement établit et en grande partie automatisé. Le logiciel ARIA (Ambiguous Restraints for Iterative Assignment) utilise le concept de contraintes de distances ambiguës et suit un processus itératif afin d'attribuer et d'affiner la liste des noyaux proches dans l'espace pour calculer un ensemble de modèles structuraux en accord avec les données. Ce travail a pour objectif d'adapter cette approche pour prédire de novo la structure d'une protéine en utilisant l'information évolutive. / Structural prediction methods provide a relatively effective alternative to experimental approaches to provide a first insight into native folding of a protein. The gap between the number of structures and protein sequences available in databases has steadily increased since the advent of high throughput sequencing technologies. This strong growth of genomic information helped bring to light prediction tools using coevolutionary data. Conservation of a specific function implies strong restraints on interacting residues involved in the folding and function. Once detected, these interactions can help to model the conformation of a protein. Some important aspects needs to be improved during the modelling process including the detection of false positive among the predicted contacts. Limitations in the field are similar to those encountered in nuclear magnetic resonance spectrometry structure determination where data integration is a clearly established and largely automated process. The Ambiguous Restraints for Iterative Assignment (ARIA) software uses the concept of ambiguous distance restraints and follows an iterative process to assign and refine the list of nearby nuclei in space to compute a set of structural models in accordance with the data. This work aims to adapt this approach to de novo predict the structure of a protein using evolutionary information.

En dépit de l’importance considérable des matériaux alumino- et borosilicates pour la catalyse, l’origine moléculaire de leur activité demeure mal comprise. Ceci tient à la difficulté de caractériser le désordre structural local généré au sein du réseau silicaté par l’incorporation d’hétéroatomes. Le caractère local de la résonance magnétique nucléaire (RMN) à l’état solide en fait une technique adaptée pour résoudre cette question majeure. Les silicates en feuillés auto-assemblés en présence de surfactants sont d’excellents systèmes modèles pour l’étude de la structure locale autour d’hétéroatomes de B ou d’Al car la synthèse, la structure moléculaire et la signature RMN 29Si simple de leurs formes siliceuses sont parfaitement maîtrisées. L’incorporation dans leurs réseaux silicatés de différentes quantités d’Al ou de B et leurs conséquences ont été étudiées par des méthodologies avancées de RMN permettant de sonder les interactions à travers l’espace ou les liaisons chimiques entre noyaux de 29Si, 27Al, 11B et/ou 1H, une approche qui peut être étendue à la substitution atomique dans une argile aluminosilicate et un nouveau borosilicate de calcium. Ces résultats ont été combinés à la modélisation moléculaire pour construire et valider des modèles structuraux capables de décrire les distorsions et les réarrangements parfois profonds du réseau résultant de la substitution. Cela a révélé des différences frappantes entre les conséquences de l’incorporation d’Al ou de B dans deux matériaux de morphologie semblables mais de structures moléculaires différentes, et offre une occasion unique de comprendre les propriétés régissant l’incorporation d’hétéroatomes dans les silicates. / While alumino- and borosilicate materials have paramount importance in catalysis, the molecular origin of their activity is not completely understood. This is mainly because the incorporation of heteroatoms into the silicate framework deteriorates the molecular order by generating local disorder that is particularly difficult to establish. Because of its local vision of ordered and disordered environments, solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) can play a key role to solve this long-standing issue. Surfactant-directed layered silicate materials with short-range molecular order are particularly interesting model systems to study the local structures around Al or B heteroatoms because the synthesis, molecular structures, and simple 29Si NMR signatures of their pure-silicate forms are well understood. Various amounts of Al and B atoms were incorporated into their frameworks, and their consequences on the local structure were investigated by state-of-the-art multidimensional NMR measurements probing spatial proximities or bonding interactions between 29Si, 11B, 27Al, and 1H nuclei, an approach that could be extended to atomic substitution in an aluminosilicate clay and a new calcium borosilicate. These results were combined with molecular modeling to build and evaluate structural models that capture the local framework distortions and sometimes profound rearrangements resulting from the atomic substitutions. This reveals remarkable differences between the consequences of the incorporation Al or B in two distinct frameworks of otherwise strongly-related materials, and offers a unique opportunity to understand the properties that drive heteroatom incorporation.

L’imagerie par résonance magnétique est une technique non invasive et non ionisante permettant de caractériser la structure anatomique des tissus biologiques mous via la localisation des signaux de résonance magnétique nucléaire (RMN) des molécules mobiles. Cependant, l’application de l’IRM pour l’étude des matériaux rigides reste difficile dû aux forts élargissements des raies de résonances inhérents aux matériaux solides qui diminuent la résolution et le rapport signal sur bruit des images obtenues par encodage fréquentiel.La rotation à l’angle magique (MAS) permet de moyenner efficacement les interactions anisotropes de l’état solide par une rotation de l’échantillon, réduisant ainsi la largeur des raies de résonance. Dans ce manuscrit la possibilité de combiner la rotation à l’angle magique et l’IRM pour effectuer de la micro-imagerie multidimensionnelle et multi-nucléaire (¹H, ³¹P, ²⁷Al et ⁵¹V) à très haut champ magnétique (17,6 T) de matériaux solides avec une résolution et un rapport signal sur bruit largement supérieur à ceux obtenus en condition statique est démontrée. Une large gamme de matériaux (polymères, céramiques et tissus calcifiés biologiques) a été étudiée. Des images avec une résolution comprise entre 30 et 300 μm ont pu être obtenues pour des fréquences de rotation MAS allant jusqu’à 20 kHz, en utilisant des séquences IRM d’écho ou à temps d’écho nul. La possibilité d’utiliser un schéma de sous-échantillonnage associé à des algorithmes de reconstruction est aussi abordée.L’utilisation de séquences de RMN solide tels que la polarisation croisée pour augmenter le contraste et ainsi mettre en évidence des variations physico-chimiques localisées dans des tissus calcifiés biologiques est aussi démontrée. L’utilisation de gradients de champ magnétique pulsés combinés à la rotation à l’angle magique rend aussi possible la spectroscopie RMN de haute résolution localisée spatialement. Cette méthode a été utilisée pour étudier in vivo et dans chacun des segments du corps le métabolome de drosophiles modèles de pathologies neurodégénératives. / Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a non-invasive and non-ionizing powerful tool widely used to characterize the structure and function of biological soft tissues through the localization of the NMR signal of mobile species. In contrast, the application of MRI in rigid solids remains challenging as they usually exhibit strong line broadening which decreases both the sensitivity and the resolution obtained with frequency encoding and short transverse relaxation time prohibiting the use of echo MRI sequences.Magic Angle Spinning (MAS) provides an efficient averaging of the an isotropic interactions in the solid statethrough a macroscopic rotation of the sample and allows obtaining narrow resonances. In this manuscript,we show the potentialities of combining MAS and MRI to carry out multi-nuclei (¹H, ³¹P, ²⁷Al or ⁵¹V) multidimensional micro-imaging in rigid solids, at very high magnetic field (17.6 T), with greatly improved SNR and spatial resolution when compared to static conditions. This is exemplified on a wide range of materials(polymers, oxide ceramics, biomaterials and hard tissues) for which the use of MAS at frequencies up to 20 kHz with spin-echo or Zero Echo Time (ZTE) MRI sequences allow obtaining images with spatialre solutions ranging from 30 to 300 μm. It is also demonstrated that solid state NMR sequences such as Cross-Polarization (CP) can be employed to enhance contrast and to further depict spatially localized chemical variations in bones and related materials. The possibility of using under sampled acquisition scheme with reconstruction algorithms is also addressed.The combination between pulsed field gradients and MAS also offers the possibility to perform high resolution localized spectroscopy. This methodology is used to study, in vivo and at the organ level, the metabolism of neuro degenerative pathologies drosophila models.

En bioinformatique structurale, une partie des méthodes computationnelles qui calculent les structures de protéines à l'aide de données expérimentales, effectuent une optimisation de la position des atomes sous les contraintes expérimentales mesurées sur le système étudié, ainsi que sous des contraintes provenant de la connaissance générique de la stéréochimie organique. Ces méthodes d'optimisation présentent l'inconvénient de ne pas garantir la détermination de la meilleure solution. De plus, la validation de l'optimisation se fait en comparant les résultats obtenus pour des calculs répétés, et le résultat d'un calcul est accepté dans la mesure où le même résultat est obtenu plusieurs fois. Par cette approche, on rend plus difficile la détection de conformations alternatives de protéines, qui sont pourtant le sujet d'un vif intérêt dans la littérature. En effet, le développement de la sensibilité des techniques de résonance magnétique nucléaire (RMN) a permis de mettre en évidence plusieurs cas d'échange conformationnel reliés à la fonction des protéines. Dans ce projet de thèse, nous avons étudié une nouvelle approche pour le calcul de structures des protéines et l'exploration de leurs espaces conformationnels, basée sur la résolution du problème de Géométrie de Distance associé aux contraintes de distances dans une protéine par l'algorithme "interval Branch and Prune". Le logiciel implémentant cette méthode est appelée iBPprot, il incarne l'une des premières tentatives d'échantillonnage exhaustive des espaces conformationnels des protéines. Dans un premier temps, on s'est intéressé à l'application de la méthode en utilisant exclusivement des constraintes de distances exactes. Les résultats ont démontré que iBPprot était capable de reconstruire des structures références en s'appuyant seulement sur quelques contraintes à courte portée. De plus, la reconstruction a été d'une précision telle que la conformation générée présentait un RMSD de 1 Angstrom maximum avec la structure référence. L'exploration exhaustive de l'espace conformationnel a été possible pour une bonne partie des protéines cibles. Les temps de calcul pour l'exploration des espaces conformationnels ont été très variables allant de quelques secondes pour quelques protéines jusqu'à des semaines pour d'autres. L'évaluation de la qualité des structures obtenues a démontré qu'au moins 68% des valeurs de phi et psi sont localisées dans la zone 'core' du diagramme de Ramachandran. Cependant, des clash stériques ont été détectées dans plusieurs conformations mettant en jeu jusqu'à 7% d'atomes dans quelques unes de ces conformations. Dans un deuxième temps, on s'est intéressé à l'application de la méthode en incluant des intervalles de distances comme contraintes dans les calculs. Dans ce cas de figure, la méthode a réussi a reconstruire des structures références avec un RMSD inférieur à 5 Angstrom pour plus de la moitié des protéines cibles. En contre partie, le parcours complet de l'espace conformationnel n'a été possible que pour la plus petite protéine de l'ensemble des protéines étudiées. Pour la moitié des autres protéines, plus de 70% des atomes ont vu leurs positions échantillonnées. La qualité des structures obtenues a regressé en comparaison avec les simulations faites avec des distances exactes. En effet, seulement 53% des valeurs de phi et psi étaient localisées dans la zone 'core' du diagramme de Ramachandran, et le pourcentage d'atomes impliqués dans un clash stérique s'élevait jusqu'à 22% pour quelques protéines. Concernant le temps de calcul, le taux de génération de conformations a été déterminé pour chaque protéine cible, et il s'est avéré que globalement sa valeur etait compétitive par rapport aux valeurs des taux observables dans la littérature... / Structural biology has allowed us expand our knowledge of living organisms. It is defined as the investigation of the structure and function of biological systems at the molecular level. Studying a biomolecule's structure offers insight into its geometry, as angles and distances between the biomolecule's atoms are measured in order to determine the biomolecular structure. The values of these geometrical parameters may be obtained from biophysical techniques, such as X-ray crystallography or nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. One of the most used methods to calculate protein structures from geometric restraints is simulated annealing. This method does not guarantee an exhaustive sampling of protein conformational space, which is a shortcoming as one protein may adopt multiple functional conformations, and it is important to determine them exhaustively. In this PhD project, the efficiency of a new method - derived from operations research and computational geometry - is studied in order to answer this question: How does this method explore the conformational spaces of small proteins? This method - implemented within the iBPprot software framework - treats protein structure determination as a distance geometry problem, which the interval branch-and-prune algorithm tries to solve by the full exploration of its solutions space. The results obtained by iBPprot on a set of test proteins, with sizes ranging from 24 to 120 residues and with known structures, are analyzed here. Using short-range exact distance restraints, it was possible to rebuild the structure of all protein targets, and for many of them it was possible to exhaustively explore their conformational spaces. In practice, it is not always possible to obtain exact distance restraints from experiments. Therefore, this method was then tested with interval data restraints. In these cases, iBPprot permitted the sampling of the positions of more than 70% of the atoms constituting the protein backbone for most of the targets. Furthermore, conformations whose r.m.s. deviations closer than 6 Angstrom to the target ones were obtained during the conformational space exploration. The quality of the generated structures was satisfactory with respect to Ramachandran plots, but needs improvement because of the presence of steric clashes in some conformers. The runtime for most performed calculations was competitive with existing structure determination method...