Durant les quinze dernières années, une attention particulière a été portée aux effets potentiels sur le vivant des champs radiofréquence (RF) des communications sans fil. Malgré l’intensité des efforts de recherche sur les effets biologiques et sanitaires potentiels des RF, nos connaissances en bioélectromagnétisme n’ont pu suivre l’évolution rapide des technologies.[…] La capacité des RF à provoquer un échauffement des tissus est parfaitement caractérisée. Des recommandations et des normes ont été définies afin de protéger les populations des risques associés, sachant qu’aucun échauffement n’est provoqué par l’exposition aux dispositifs de communications sans fil en raison des très faibles niveaux correspondant. Il est donc capital de savoir si l’on peut totalement exclure que des effets non-thermiques des RF de faible niveau existent au niveau moléculaire au sein de la matière vivante. L’objectif de cette thèse est d’évaluer en temps réel et sur cellules vivantes, les effets de l'exposition aux champs radiofréquences (CW, GSM-1800, UMTS, Wi-Fi, WiMax, LTE), soit au niveau moléculaire en ciblant l’activité du canal ionique TRPV1 qui est l’un des thermorécepteurs de notre organisme, soit au niveau cellulaire en étudiant le comportement général de cellules exposées aux RF à l’aide d’une technique dite « sans marquage », l’impédancemétrie. Le suivi de l’activité du canal TRPV1 sous exposition RF a été réalisé à l’aide de la technique du transfert d’énergie en résonance de bioluminescence (BRET), une technique spectroscopique qui permet l’analyse des interactions protéines-protéines ou des changements de conformation des protéines en temps réel et sur cellules vivantes. La mise en place de cette technique a demandé la construction et la caractérisation de sondes BRET ciblant les canaux TRP ainsi que la mise au point d’un dispositif de mesure déporté des spectres de BRET à l’aide d’une fibre optique, afin de pouvoir exposer les échantillons aux champs RF. La conclusion de ce volet de la thèse est que les RF sont capables d’activer le canal TRPV1 en produisant un échauffement diélectrique, mais qu’en absence d’augmentation de la température il n’y a aucun effet des RF sur le niveau d’activité basal du canal TRPV1 ou sur l’efficacité de la Capsaïcine, un agoniste, à activer TRPV1. L’analyse du comportement global de cellules en culture sous exposition RF a été réalisée à l’aide d’un système xCELLigence modifié afin de pouvoir à la fois suivre le comportement cellulaire par impédancemétrie tout en utilisant le réseau d’électrodes des plaques de mesure pour exposer les cellules mises en culture aux RF. À l’aide de ce dispositif, nous avons pu réaliser des expositions de cellules SH-SY5Y avec un DAS de 24 W/Kg sans provoquer d’échauffement dans le milieu de culture ou dans les cellules. Aucun effet des RF sur le comportement de la lignée de neuroblastome SH-SY5Y n’a cependant pu être mis en évidence, que ce soit en absence ou en présence d’une co-stimulation par un agent chimique. La conclusion de cette étude est que dans des conditions où la température reste stable, nous n’avons pas pu mettre en évidence de modification du fonctionnement du vivant que ce soit au niveau moléculaire ou au niveau cellulaire. Les outils développés dans ce travail de thèse ouvrent, de plus, d’importantes perspectives tant dans le domaine du criblage de médicaments candidats à l’aide du BRET spectral, que pour de futures études en bioélectromagnétisme. / The biological and health effects of radiofrequency (RF) electromagnetic fields (EMF) exposure have been very actively studied in the past two decades, mainly triggered by concerns about potential health effects of wireless communication systems. This physical agent is among the most common, fastest-growing environmental factors, triggering concerns in the population, as even a minor effect of EMF exposure on health could have a major public health impact. While the effects of extremely low frequency electromagnetic fields (ELF EMF) on the excitation of nerve and muscle cells have been well-characterized, the only well-described effects of radiofrequency electromagnetic fields (RF EMF) on biological systems are caused by dielectric-relaxation heating. In contrast, “nonthermal” RF EMF effects refer to other potential biological effects that are not caused by temperature elevation of living tissue or cell culture medium. The investigation of such mechanisms has been hampered by the absence of robust, reliable and repeatable effects occurring as a consequence of low-level exposures, for which temperature elevation is minimal. Moreover, no plausible mechanistic hypotheses have been given concerning thermal or nonthermal effects of low-level RF EMF exposures, making difficult to draw conclusions on the basis of available experimental results. Nonetheless, in 2011, the International Agency for Research on Cancer (IARC) classified RF emitted by cell phones as “possibly carcinogenic to humans” (Class 2B). The characterization of nonthermal biological RF EMF effects is therefore of primary importance for setting safety limits since guidelines and standards have so far been set to protect from the known health risks associated only with the thermal effects of RF EMF exposures. The aim of this basic science thesis work is to characterize the effects of environmental RF EMF signals on living matter at the cellular and molecular level. In this work, we took advantage of modern and innovative methods to observe the behavior of living matter under RF EMF exposure in real time at various specific absorption rates (SAR). In particular, we have studied: (i) Specific RF EMF effects on the ionic channel TRPV1, a major thermoreceptor in our body. TRPV1 activation under RF EMF exposure was studied using the bioluminescence resonance energy transfer (BRET) technique. The implementation of this technique called for the construction and characterization of BRET probes targeting TRP channels as well as the development of a device for the remote measurement of BRET spectra, using an optical fiber. The conclusion of this part of the thesis is that RFs are able to activate the TRPV1 channel by producing a dielectric heating but in the absence of temperature increase there is no RF effect on the basal activation state of TRPV1 and no change of capsaicin maximal efficacy to activate TRPV1. (ii) The analysis of the global behavior of cells in culture under RF exposure was carried out using a modified xCELLigence system where the array of electrodes of the measuring plates were also used to expose the cells to RF EMF. Using this device, we were able to perform SH-SY5Y cell exposures with a SAR of 24 W/kg without causing heating in the culture medium or in the cell culture. No effect of RF EMF on the behavior of the neuroblastoma SH-SY5Y line could however be demonstrated, either in the absence or in the presence of a co-stimulation by a chemical agent. The conclusion of this study is that under conditions where the temperature remains stable, we have not been able to demonstrate any changes in the functioning of living cells, ether at the molecular level or at the cellular level. The tools developed in this thesis work offer important prospects both in the field of drug screening using spectral BRET, and pave the ways for future studies in bioelectromagnetics.

Parmi les innovations technologiques récentes, la téléphonie mobile a connu une progression fulgurante. Les expositions aux champs électromagnétiques radiofréquences (CEM RF) apparaissent de plus en plus tôt, lors de l’adolescence, voire dès l’enfance. Parallèlement la littérature scientifique rapporte des effets des CEM RF (GSM 900 MHz) à forts niveaux d’exposition sur l’expression de la glial fibrillary acidic protein (GFAP), le principal filament intermédiaire des astrocytes. Ces cellules jouent un rôle dans la transmission synaptique et dans la réparation des lésions cérébrales. Ce contexte nous a amené à poser l’hypothèse d’une perturbation des fonctions astrocytaires et cérébrales par des expositions aux CEM RF à niveaux élevés réalisées durant les stades de maturation cérébrale du foetus ou de l’adolescent. Nous avons posé une seconde hypothèse selon laquelle la fragilisation des organismes en développement par un épisode inflammatoire les rendrait plus vulnérables aux expositions environnementales, favorisant ainsi l’expression des effets neuro-biologiques des CEM RF.Afin de tester ces hypothèses, nous avons mimé les effets foeto-toxiques consécutifs à un état pathologique de la mère dans un modèle d’inflammation gestationnelle de rat utilisant des injections intra-péritonéales de lipopolysaccharides (LPS). Ce modèle a été exposé aux CEM RF, soit durant toute la gestation (co-exposition avec le LPS), soit durant le stade adolescent. Dans un autre groupe expérimental, nous avons mimé une astrogliose réactive consécutive à une infection ou un état neuro-pathologique au stade adolescent par micro-perfusion de LPS dans les ventricules cérébraux. Dans ce modèle, les rats adolescents ont été co-exposés au LPS aux CEM RF. Les variables d’intérêt ont été mesurées chez le jeune adulte et, dans le cas des co-expositions gestationnelles, au cours des stades juvénile et adolescent. Des paradigmes comportementaux ont été utilisés pour examiner les états émotionnels, la perception et l’adaptation à la nouveauté. Les niveaux de GFAP ont été quantifiés dans le cortex préfrontal, l’hippocampe, le striatum et l’amygdale. Nos résultats indiquent des perturbations comportementales (notamment en réponse à la nouveauté) chez le jeune adulte antérieurement exposé durant la gestation (et non pas durant l’adolescence) aux CEM RF. Une seule interaction du LPS et des CEM RF a été montrée dans le cas d’une co-exposition chez l’adolescent, par une plus faible augmentation des niveaux de GFAP à 1,5W/kg. D’un point de vue de santé publique, ces résultats sont obtenus avec des niveaux d’exposition aux CEM RF bien supérieurs (10 à 50 fois) à ceux environnementaux induits par le port du téléphone portable à proximité du foetus par la femme enceinte ou proche de l’oreille par un appel téléphonique. Dans un premier temps, il sera important de reproduire ces effets avant d’envisager des hypothèses mécanistiques d’interaction des CEM RF sur le développement foetal et sur le processus neuro-inflammatoire au stade adolescent. Il conviendra par ailleurs d’identifier si ces effets sont induits à des niveaux de CEM RF environnementaux afin de contribuer à l’évaluation du risque neuro-toxicologique des CEM RF. / The widespread use of mobile phones raises the question of the possible health effects of radiofrequency electromagnetic fields (RF EMF, GSM 900 MHz) on the brain. Acquisition of the first cell phone occurs predominantly before adolescence. Scientific literature reports effects of high levels of RF EMF exposure on the expression of the glial fibrillary acidic protein (GFAP). The GFAP is the principal intermediate filament of the astrocytes. These cells play a role in the synaptic transmission and brain damages repair. In this context, we hypothesized a disturbance of the astrocytes and brain functions by the exposure of high RF EMF levels carried out during foetal or adolescent cerebral maturation. A second assumption is made that the organisms under development sensitised by an inflammatory episode would be more vulnerable to the environmental exposures and lead the expression of the neuro-biological effects of RF EMF. To test these hypotheses, we mimicked the foetotoxic effects of a pathological state of the mother. We used a gestational inflammation model of rat obtained with intra-peritoneal injections of lipopolysaccharides (LPS). This model was exposed to RF EMF, either during all gestation (co-exposure with LPS), or during the adolescent stage. In another experimental group, we mimicked a reactive astrogliosis consecutive to an infection or a neuro-pathological state at the adolescent stage by micro-perfusion of LPS in the cerebral ventricle. In this model, adolescent rats were co-exposed to LPS and RF EMF. The different endpoints were measured in the young adult. In gestational co-exposure, endpoints were measured during juvenile and adolescent stages. Behavioural paradigms were used to examine the emotional states, the perception and the adaptation to novelty. The GFAP levels were quantified in the prefrontal cortex, the hippocampus, striatum and amygdala. Our results indicate effects on behavioural endpoints (particularly in novelty perception) in the young adult previously exposed to RF EMF during gestation (and not during adolescence). Only one interaction between the LPS and RF EMF was shown in co-exposure during adolescence. A weaker increase of the GFAP levels was shown after a 1,5W/kg exposure. These results were obtained with levels of RF EMF exposure which were much higher (10 to 50 times) than those induced by the mobile phone held near the foetus by the pregnant woman or near the ear during a phone call. It will be important to reproduce these effects before considering mechanistic interactions of RF EMF on the foetal development and the neuro-inflammatory process at the adolescent stage. In addition, it will be necessary to identify if these effects are induced at environmental RF EMF levels in order to contribute to the neuro-toxicological risk evaluation of RF EMF.

Dans ce travail, nous avons étudié un système complet d'antennes distribuées par voie optique pour déport de signaux radio suivant le principe de la radio sur fibre. La caractérisation du lien optique servant de base au système radio sur fibre, d'un point de vue composant et système via la transmission de standards radio a d'abord été effectuée. Nous avons montré par une nouvelle technique de caractérisation que l'élément non linéaire de notre chaîne de transmission pouvait se comporter de manière plus linéaire qu'attendue et faiblement impacter les standards radio transmis. Les standards choisis sont à enveloppe constante (GSM) et à enveloppe non constante (WLAN) pour mieux mettre en évidence les non-linéarités de la chaîne de transmission. Il est ainsi montré que les signaux à enveloppe non constante sont les signaux limitants et qu'en leur adjoignant un signal à enveloppe constante à faible puissance, la qualité de leur transmission n'est pas impactée. A partir de ces résultats expérimentaux, un algorithme de calcul de couvertures radio a été développé et appliqué à plusieurs scénarios de couverture intra-bâtiment. Notre étude montre que dans tous les cas, c'est la liaison montante, de l'utilisateur à la station centrale, qui est limitante puisque bien plus impactée par le bruit ajouté par la chaîne de transmission optique. Par suite, nous avons proposé une architecture de déploiement réseau originale de type bus pour laquelle nous montrons que malgré un coût de déploiement faible, il est possible d'atteindre des performances suffisantes pour assurer des couvertures au sein d'un réseau domestique. Enfin, ces résultats de simulation sur architecture bus sont confirmés par la réalisation d'un banc de test de type industriel permettant de confirmer par la mesure les résultats obtenus précédemment. Nous réalisons aussi un circuit radio passif permettant la séparation et recombination de plusieurs signaux (GSM et WLAN étudiés précédemment) de sorte que tous les éléments prouvant la réalisation et les mesures sur le système complet d'antennes distribuées sont à disposition et fonctionnels. / In this manuscript, we study a complete distributed antenna system through optical ways, to extend radio signals coverage, thanks to the radio over fiber principle. The optical link characterization is done first as the system basic building block. The characterization is done both through component and system analysis, thanks to different radio standards transmission. We develop a new characterization technique that allows us to confirm that the most non-linear element of the optical link behaves much more linearly than expected so that it has a low effect on transmission quality. Chosen standards are both constant and non-constant envelop to highlight the link non-linearities. This shows that non-constant envelop signals are the limiting signals for our system. This also allows to demonstrate that adding a low power constant envelop signal to a non-constant envelop one does not impact its transmission performance. From these experimental results, we develop an in-building coverage distance calculation algorithm for our system. Those simulations confirm that the uplink, from the user to the central station, is the most limiting section of our system because of the noise quantity added by the optical link. To follow this, we propose a new low-cost bus network in-building topology for our system that proves to be performing as wanted for personal homes. Finally, these bus topology simulation results are confirmed with the production of an industrial type test bench. We also produce a passive radio front-end that permits the separation and recombination of several radio signals (GSM and WLAN as previously studied) so that all the elements proving the production and the results of the complete distributed antenna system through optical ways are available and functional.

Parmi les approches possibles pour réaliser des sources térahertz dans la gamme0,2 - 2 THz, nous nous sommes intéressés à la voie optoélectronique qui consiste à générerl’onde térahertz par le photomélange de deux ondes lasers à des fréquences optiques. Letravail présenté dans cette thèse concerne l’étude de lasers bi-fréquence capables d’émettreles deux ondes requises simultanément. Nous commençons par développer un modèlethéorique décrivant la compétition de gain entre les modes laser grâce au calcul de différentscoefficients de couplage. Sur le plan expérimental, nous montrons tout d’abord qu’endésalignant légèrement un des miroirs de la cavité laser, il est possible d’obtenir un régimestable d’émission sur deux fréquences pourtant en compétition dans le milieu à gain, ici uncristal dopé néodyme. Nous nous intéressons ensuite au régime impulsionnel et montronsque les impulsions peuvent être synchronisées grâce à l’action d’un laser externe. Enfin, leprocessus de photomélange a été réalisé et des ondes électromagnétiques ont été généréesdans le domaine des radio-fréquences autour de 20 GHz. / Among the possible solutions to build terahertz sources in the 0,2 - 2 THz range,we studied the optoelectronic way consisting in the generation of a terahertz wave by photomixingtwo laser waves at optical frequencies. The work presented in this PhD concernsthe study of dual-frequency lasers able to emit the two required waves simultaneously.We begin by developing a theoretical model describing the gain competition between thelaser modes by calculating different coupling coefficients. Experimentally, we first showthat a slight misalignment of the output mirror of the laser cavity allows to obtain a stableemission at two frequencies competing in the gain medium, which is a neodymium-dopedcrystal. Then, we focus on the pulsed regime and we show that the pulses can be synchronizedby the action of an external laser. Finally, the photomixing process has been achievedand electromagnetic waves have been generated in the radio frequencies range around 20GHz.