L´évolution des technologies d´imagerie cérébrale alliée aux développement d´algorithmes spécifiques de traitement d´images permettent d´améliorer nos connaissances sur le fonctionnement du cerveau, en particulier s´agissant de la perception visuelle. L´objectif de ce travail de thèse est de contribuer à la compréhension des aires corticales impliquées dans la perception visuelle du mouvement chez l´homme, en analysant l´information des signaux de différentes modalités complémentaires d´Imagerie par Resonance Magnétique (IRM).<br /><br />Une première partie concerne l´identification individuelle des aires visuelles de bas niveau. Nous détaillons la méthode de cartographie rétinotopique par IRM fonctionnelle (IRMf) que nous avons developpée, depuis la conception des stimuli visuels à l´analyse anatomo-fonctionnelle finale. Par ailleurs, une localisation fonctionnelle du complexe hMT/V5+ est obtenue par un paradigme en bloc. Ces méthodes, optimisées suivant certains paramètres de la stimulation, permettent d´extraire pour tout individu des Régions d´Intérêt homogènes.<br /><br />Dans un deuxième temps, nous proposons une caractérisation fonctionnelle des différentes aires visuelles primaires. En se fondant sur le paradigme récent d´IRM d´adaptation qui permet d´étudier la sensibilité d´une région cérébrale à des variations quantitatives d´un paramètre de la stimulation, nous démontrons une différenciation de la sensibilité à la direction du mouvement dans les aires etudiées.<br /><br />Enfin, nous décrivons une expérience combinant les modalités d´IRMf et d´IRM de diffusion (IRMd) dans le but d´étudier la connectivité anatomique au sein du cortex visuel primaire. Cette caractérisation, établie en s´appuyant sur des algorithmes récents de cartographie des fibres de matière blanche, donne des indices sur le réseau d´aires notamment impliquées dans le traitement du mouvement visuel.

L'intérêt pour la synthèse de Fischer-Tropsch (FTS) est d'actualité. Elle permet la conversion de matière première (biomasse) en combustible liquide. Comparés aux catalyseurs à base de cobalt, ceux à base de fer présentent une désactivation rapide, une activité et une sélectivité faibles en produisant une quantité non désirable de CO2. Après plusieurs décennies d'études, l'origine de ces défauts reste méconnue. Les catalyseurs classiques sont généralement fortement chargés en fer (>70 wt.%) et composés de nombreuses phases empêchant l'établissement d'une relation structure-activité. Il est nécessaire de développer des catalyseurs contenant du fer plus actifs, plus sélectifs et plus stables par une approche rationnelle. La synthèse de nanoparticules de taille contrôlée (3.5 nm) encapsulées dans les murs d'une silicalite-1 creuse (Fe@hollow-silicalite-1) est présentée. L'encapsulation empêche le frittage pendant la synthèse de Fischer-Tropsch, permettant de garder une bonne dispersion du fer. Contrairement aux autres catalyseurs, le catalyseur Fe@hollow-silicalite-1actif ne produit pas de CO2. L'hydrophobicité de la silicalite-1 est très certainement à l'origine de la non-production de CO2 par inhibition de la réaction directe du gaz à l'eau. On démontre que le catalyseur Fe@hollow-silicalite-1convertit le CO2 en CO par réaction du gaz à l'eau inversée (R-WGS). Afin d'établir une relation structure-activité, des catalyseurs à base de fer de taille bien contrôlée sont synthétisés et caractérisés (MET, in-situ XANES, in-situ Mössbauer). Deux catégories de TOF suivant la taille des particules, ~10-2 s-1 pour les plus larges (>20 nm) et ~10-3 s-1 pour les plus petites, sont observées / Fischer-Tropsch synthesis (FTS) is gaining renewed interests as it allows converting alternative feedstocks (biomass) into liquid fuels. Compared to Co-based catalysts, state of the art Fe catalysts show lower activity, faster deactivation and lower selectivity as it produces an undesirable amount of CO2. Despite decades of studies, the origins of low activity and selectivity and fast deactivation are still unclear. Typical Fe based catalysts are highly metal loaded (>70 wt.%) and composed of many different phases, which strongly impedes the establishment of structure-activity relationships. There is a need to develop more active, more selective and more stable iron FTS catalysts by rational approaches.The synthesis of well-controlled 3.5 nm iron nanoparticles encapsulated in the walls of a hollow-silicalite-1 zeolite (Fe@hollow-silicalite-1) is presented. The encapsulation prevents particle sintering under FTS conditions leading to a high and stable Fe dispersion. The catalyst Fe@hollow-silicalite-1 is active and highly selective in FTS. Most importantly, Fe@hollow-silicalite-1 does not produce CO2 in contrast to all other Fe-based catalysts. The strong hydrophobicity of the silicalite-1 is likely the origin of the lack of CO2 production by inhibition of the forward WGS reaction. We demonstrated that Fe@hollow-silicalite-1converts CO2 into CO by the reverse WGS reaction. In order to establish a structure-activity relationship, a series of Fe-based catalysts with well-controlled particle sizes were synthesized and characterized (TEM, in-situ XANES, in-situ Mössbauer, XRD). We observed two distinct categories of TOFs depending on the particle size, ~10-2 s-1 for larger (>20 nm) and ~10-3 s-1 for smaller ones

L'objectif de ce projet de thèse a été d’étudier l’activité catalytique de catalyseurs commerciaux contenant de nanoparticules métalliques pour l'hydrogénation du limonène. La réaction a été réalisée en l'absence de solvants et dans des conditions douces c’est à dire à basse température (30°C) et sous faible pression d'hydrogène (3 bar), conduisant à une production stable du (+)-p-1-menthene. Dans notre étude, les nanoparticules métalliques actives (Pt, Pd et Ru) et les supports (carbone, silice et alumine) ont été systématiquement modifiés et testés dans des conditions de réaction modérées (température ambiante, 3 bar H2). Notre étude a révélé une activité et sélectivité importante du catalyseur hétérogène Pt/C pour la réduction du R-(+)-limonène en (+)-p-1-menthène qui est le produit partiellement hydrogéné. Le Pt/C ainsi que Pt/Al2O3 est l’un des systèmes les plus actifs parmi les catalyseurs actuellement disponibles dans le commerce. De plus, l'activité catalytique et la stabilité de Pt/C ont été maintenues au cours des essais de recyclage en réacteur fermé. Ce catalyseur a également été utilisé en réacteur à flux continu, donnant des résultats prometteurs. L'hydrogénation sélective de la liaison C=C terminale du limonène par rapport de la liaison interne a été rationalisée par des études cinétiques détaillées qui révèlent une vitesse 8 fois plus importante par la double liaison terminale. Cette première étude nous a permis de développer la synthèse de nouveaux catalyseurs hétérogènes contenant diverses nanoparticules métalliques (Pt, Ru, Pt3Sn et Ni). Ils ont été préparés à partir d'une approche colloïdale et ont été testés dans l'hydrogénation de limonène. Ces catalyseurs contiennent la même charge métallique et des tailles de particules similaires (environ 2 nm) dispersées de façon homogène sur des oxydes non structurés (silice et d'alumine), du carbone, ou incorporés à l'intérieur des murs ou à la surface des pores de matériaux mésostructurés siliciques (SBA-15). L’ensemble des catalyseurs de la série du Pt ont révélés une activité accrue lors de l'hydrogénation sélective du limonène en p-menthène puis en p-menthane avec une vitesse de réaction très élevé. Parmi tous ces catalyseurs, celui contenant des nanoparticules de Pt dans les murs de la silice a montré au bout de deux heures de réaction un TOF d'environ 2200 h-1 et un rendement maximal pour le p-menthène d'environ 85% après 10 heures de réaction. Ce même catalyseur a été testé dans un réacteur en flux continu et affiche après 6 heures un rendement en p-menthene stable de 80%. Aucun produit d'isomérisation n’a été détecté dans le mélange brut au cours de la réaction. En conclusion, nous pouvons dire que l'utilisation d'un catalyseur hétérogène commercial comme le Pt/C ou l’utilisation d’un catalyseur hétérogène métallique développé à partir d'une approche colloïdale, Pt@SBA-15{murs}, permet d'obtenir une conversion sélective du limonène en p-menthène en réacteur fermé ainsi également en réacteur à flux continu. Des informations sur la cinétique de cette réaction ont également pu être obtenues / The goal of this PhD project was in an early stage to study the activities of several commercial metal nanoparticles based catalysts for the mild hydrogenation of limonene. The hydrogenation of limonene has been performed in neat limonene and under mild conditions, e.g. low temperature (30°C) and low molecular hydrogen pressure (3 bar), aiming at a sustainable production route for (+)-p-1-menthene. In our study, the active metal nanoparticles (Pt, Pd and Ru) and supports (carbon, silica and alumina) were systematically varied and tested. It was found that the heterogeneous catalyst Pt/C alongside Pt/Al2O3 under mild reaction conditions (room temperature and 3 bar H2) was highly active and selective in the reduction of R-(+)-limonene to the partial hydrogenation product (+)-p-1-menthene. Moreover, the catalytic activity and stability of Pt/C were maintained during recycling tests under batch conditions and thus allowed the implementation of this catalytic system into continuous flow operation. The selective hydrogenation of terminal C=C bond over the internal one in limonene was rationalized by detailed kinetic studies which revealed an 8-fold difference in reaction rate between the two reactions. This previous study with commercial catalysts gave the possibility to tune the synthesis of heterogeneous metal-based catalysts for the next step of the study, where different heterogeneous metal based catalysts (Pt, Ru, Pt3Sn, and Ni), developed from a colloidal-based approach were tested in the hydrogenation of limonene. Those catalysts contain the same metal loading and similar particle sizes (ca. 2 nm) homogeneously dispersed onto non structured oxides (silica and alumina), carbon, or embedded into the walls or at the pore surface of a mesostructured silica materials (SBA-15). All the catalysts from the Pt series were particularly active in the selective hydrogenation of limonene towards p-menthene with further conversion into p-menthane, showing a very high reaction rate. Among of all those catalysts, the one containing Pt nanoparticles embedded in the walls of the silica showed the highest TOF, of ca. 2200 h-1 after two hours of reaction and a maximum yield in p-menthene of ca. 85 % was obtained after 10 hours of reaction. The same catalyst was tested in a continuous flow system and a stable yield of ca. 80% during 6 hours of reaction was reached. No products of isomerization were detected in the crude mixture during the reaction. We could therefore conclude that, using either a heterogeneous commercial catalyst like Pt/C or using a heterogeneous metal based catalyst developed from a colloidal-based approach like SBA-15{walls}, it was possible to achieve a selective conversion of limonene into p-menthene in batch and in continuous flow conditions

Lorsque les rongeurs explorent leur environnement, ils contactent activement les objets environnants avec leurs vibrisses qui sont ainsi défléchies selon des séquences spatiotemporelles complexes. Le système vibrissal est néanmoins capable d'extraire des informations pertinentes de ces stimulations pour générer un comportement tactile-dépendant. Une question se pose alors: Comment l’information multivibrissale globale est-elle encodée? La représentation corticale des vibrisses au sein du cortex somatosensoriel primaire (S1) du rongeur est dotée de structures anatomiquement remarquables, nommées "tonneaux", au niveau de la couche IV, qui sont organisées de la même manière que les vibrisses sur le museau de l’animal. A chaque "tonneau" correspond une colonne corticale, unité de traitement de l’information, qui reçoit en priorité les informations provenant la vibrisse principale (VP) correspondante. Des enregistrements extracellulaires réalisés dans notre équipe chez le rat ont révélé que les réponses des neurones du cortex S1 et du thalamus sont non seulement sensibles à la direction de déflection locale de leur VP, mais aussi à la direction d'un mouvement global de l’ensemble de leurs vibrisses. Afin de mieux comprendre la manière dont le réseau cortical traite ces scènes tactiles globales, nous avons construit un poste expérimental permettant d’enregistrer en temps réel l’activité du cortex S1 chez la souris par imagerie sensible au potentiel, tout en appliquant des stimuli tactiles complexes à l'aide d'une matrice de 24-stimulateurs vibrissaux. Nous avons de plus développé une méthode permettant d’aligner les données fonctionnelles ainsi obtenues par rapport la carte cytoarchitecturale du réseau cortical sous-jacent. Nous avons ainsi étudié premièrement la distribution spatiale de la sélectivité à la direction de déflection locale d’une vibrisse au niveau d’une colonne corticale. Les réponses aux différentes directions étaient localisées de manière légèrement distincte, autour du centre de la colonne, mais selon une organisation différente de celle précédemment décrite chez le rat. Nous avons montré par la suite que la sélectivité à la direction globale est spatialement organisée dans le cortex "en tonneaux" à l’échelle supra-colonnaire. Les colonnes correspondant aux vibrisses rostrales étant plus sélectives à la direction globale que les colonnes associées aux vibrisses caudales. En outre, les colonnes correspondant aux vibrisses dorsales répondent préférentiellement aux directions globales ventrales, tandis que les colonnes associées aux vibrisses ventrales répondent préférentiellement aux directions globales caudales. Enfin, les réponses induites par des directions globales caudo-ventrales étaient en moyenne les plus fortes pour toutes les colonnes. Nous avons montré que la répartition spatiale de la sélectivité à la direction globale peut être expliquée ni par la saillance prédominante de la position de départ de la séquence de stimulation multivibrissale (effet de bord), ni par la sommation linéaire des réponses aux déflections de quelques vibrisses. Les réponses aux stimulations globales de l'ensemble des vibrisses sont en effet fortement sous-linéaires, indépendamment de la direction de la stimulation. Brièvement, nous montrons ici que sortir de la vision classique du système vibrissal permet une meilleure compréhension de la façon dont les différentes caractéristiques des stimuli complexes sont traitées et de la manière dont les propriétés émergentes du cortex, comme la sélectivité à la direction globale, sont construites. / While rodents explore their environment they actively contact surrounding objects with their array of whiskers, resulting in a complex pattern of multiwhisker deflections. Despite this complexity, the whisker system is able to extract relevant information from the spatiotemporal sequence of deflections to generate touch-dependent behavior. The question that arises is: How is global multiwhisker information encoded? Whiskers are mapped onto layer 4 of the primary somatosensory cortex (S1) as discrete units named “barrels”. Each barrel-related vertical column processes information coming primarily from its corresponding principal whisker (PW). Previous experiments in our lab done with extracellular recordings have revealed that neurons in the rat S1 and thalamus not only show a preferred direction for the local deflection of the PW but also for the direction of a global motion across the whisker pad. To further understand how the cortical network processes global tactile scenes, we built a set-up that enables to perform voltage sensitive dye imaging of the mouse barrel cortex while applying precise tactile stimuli using a 24-multi-whisker stimulator. We further developed a technical method to map the recorded functional data onto the cortical structure. We first studied whether local direction selectivity is spatially distributed within the barrel-related column. Responses to different directions were slightly segregated on space close to the barrel center, but the distribution differed from the one previously described in rat S1, namely a pinwheel-like structure. We then showed that global direction selectivity is spatially organized in the barrel cortex. Columns related to rostral whiskers were more selective to the global direction than columns related to caudal whiskers. Moreover, the columns related to dorsal whiskers preferred ventral global directions, while the columns related to ventral whiskers preferred caudal global directions. Overall the responses to the caudo-ventral global directions were the strongest in average for all the columns. We showed that the spatial distribution of the global direction selectivity can be explained neither by the high salience of the starting position of the deflections on the whiskerpad (a border effect), nor by the linear summation of the responses to deflections of several whiskers. Responses to the global motion of the whisker array are indeed highly sublinear independently of the direction of stimulation. In conclusion, we show here that stepping aside from the classical view of the whisker-to-barrel cortex system allows a better understanding of how different features of complex stimuli are processed and how the emergent properties of the cortex, like the global direction selectivity, are built-up.

Le but de cette thèse est de proposer une modélisation mathématique des stimulations visuelles afin d'analyser finement des données expérimentales en psychophysique et en électrophysiologie. Plus précis\'ement, afin de pouvoir exploiter des techniques d'analyse de données issues des statistiques Bayésiennes et de l'apprentissage automatique, il est nécessaire de développer un ensemble de stimulations qui doivent être dynamiques, stochastiques et d'une complexité paramétrée. Il s'agit d'un problème important afin de comprendre la capacité du système visuel à intégrer et discriminer différents stimuli. En particulier, les mesures effectuées à de multiples échelles (neurone, population de neurones, cognition) nous permette d'étudier les sensibilités particulières des neurones, leur organisation fonctionnelle et leur impact sur la prise de décision. Dans ce but, nous proposons un ensemble de contributions théoriques, numériques et expérimentales, organisées autour de trois axes principaux : (1) un modèle de synthèse de textures dynamiques Gaussiennes spécialement paramétrée pour l'étude de la vision; (2) un modèle d'observateur Bayésien rendant compte du biais positif induit par fréquence spatiale sur la perception de la vitesse; (3) l'utilisation de méthodes d'apprentissage automatique pour l'analyse de données obtenues en imagerie optique par colorant potentiométrique et au cours d'enregistrements extra-cellulaires. Ce travail, au carrefour des neurosciences, de la psychophysique et des mathématiques, est le fruit de plusieurs collaborations interdisciplinaires. / The goal of this thesis is to propose a mathematical model of visual stimulations in order to finely analyze experimental data in psychophysics and electrophysiology. More precisely, it is necessary to develop a set of dynamic, stochastic and parametric stimulations in order to exploit data analysis techniques from Bayesian statistics and machine learning. This problem is important to understand the visual system capacity to integrate and discriminate between stimuli. In particular, the measures performed at different scales (neurons, neural population, cognition) allow to study the particular sensitivities of neurons, their functional organization and their impact on decision making. To this purpose, we propose a set of theoretical, numerical and experimental contributions organized around three principal axes: (1) a Gaussian dynamic texture synthesis model specially crafted to probe vision; (2) a Bayesian observer model that accounts for the positive effect of spatial frequency over speed perception; (3) the use of machine learning techniques to analyze voltage sensitive dye optical imaging and extracellular data. This work, at the crossroads of neurosciences, psychophysics and mathematics is the fruit of several interdisciplinary collaborations.