Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Plusieurs avancements technologiques sont à la base de la neurophotonique, une science qui utilise les propriétés de la lumière pour sonder le système nerveux. Le développement de plusieurs méthodes de détection optiques, la découverte des protéines fluorescentes, le développement de sondes moléculaires fluorescentes et l'avancement dans le domaine des modifications génétiques fournissent aux neurosciences des outils spécifiques pour l'étude du système nerveux et des différentes populations cellulaires qui le composent. Alors que ces techniques sont pleinement accessibles in vitro, les outils de détection in vivo demeurent limités. En effet, la microscopie est limitée aux couches superficielles du système nerveux et les systèmes endoscopiques sont relativement invasifs. L'objectif des travaux présentés dans le cadre de cette thèse est de fournir des outils de détection optique multifonctionnels pour la détection de fluorescence ou l'illumination in vivo qui pallient aux limitations des techniques couramment utilisées pour mesurer la fluorescence provenant de cellules du système nerveux ou encore contrôler (via les outils optogénétiques) l'activité neuronal à l'aide de stimuli optique in vivo. Cette thèse comprend en premier lieu une revue de littérature et certains aspects théoriques relatifs aux microsondes optiques et électriques. Par la suite, différents types de microsondes sont présentés. Un premier type a été fabriqué à l'aide d'une fibre optique étirée et d'une microélectrode « ion-sensitive » dans le but d'enregistrer les variations intracellulaires de la concentration de l'ion K+, qui jouent un rôle important pour le maintien du potentiel de membrane cellulaire et pour le niveau d'excitabilité neuronale. Ces sondes ont permis d'enregistrer, pour la première fois, les fluctuations de K+ intracellulaire pendant les crises d'épilepsie chez le chat anesthésié. Le deuxième type de sonde utilisé fut fabriqué à l'aide d'une fibre à deux cœurs, un cœur optique et un cœur creux servant d'électrode. Ces sondes ont permis d'enregistrer simultanément la concentration calcique intracellulaire et l'activité neuronale extracellulaire. Ces enregistrements ont permis de confirmer le caractère unicellulaire de la résolution de la sonde. Les travaux de cette thèse ont également servi à augmenter les propriétés multifonctionnelles des sondes optiques et électriques et à élargir la gamme d'expériences auxquelles elles peuvent s'adapter. Nos travaux ont montré que les sondes optiques pouvaient être utilisées avec un système de détection optique multispectrale et combiner plus d'un type d'enregistrement électrophysiologique en utilisant des couches métalliques conductrices. Il a également été montré qu'elles pouvaient être utilisées avec les outils optogénétiques pour contrôler le niveau d'activité neuronale. Les dépolarisations et hyperpolarisations photo-induites avec les sondes ont d'ailleurs permis de développer une nouvelle méthode de mesure permettant de mesurer les propriétés intrinsèques de la membrane neuronale à partir du milieu extracellulaire. / Neurophotonic, a science that uses light properties to probe the nervous system, relies on many technological advances. The development of optical detection methods, the discovery of fluorescent proteins, the development of fluorescent molecular probes and the advancement in the field of genetic modification provided neuroscientists specific tools to study the brain and the different cell populations that it includes. While these techniques are fully accessible in vitro, in vivo detection tools remain limited. Indeed, microscopy is limited to superficial layers of the nervous system or is relatively invasive (endoscopic systems). The objective of this thesis is to provide tools for in vivo fluorescence optical detection or light delivery that overcomes the limitations of commonly used techniques to measure fluorescence arising from neurons or glial cells or control (via optogenetic tools) cellular activity with optical stimuli in vivo. This thesis first review the optical detection techniques and list theoretical aspects related to optical microprobes. Subsequently, different developed types of microprobes are presented. One type that was developed combines a tapered optical fiber and an ion-sensitive microelectrode to record changes in intracellular K+ concentration, which plays an important role in maintaining cellular membrane potential and the neuronal excitability level. These probes allowed us to record for the first time intracellular K+ fluctuations during epileptic seizures in anesthetised cat. The second type of probe used in our work was fabricated from a dual core fiber integrating an optical core and a hollow core used as an electrode. Using the latter probe, we measured simultaneously intracellular Ca2+ fluctuations and extracellular neuronal activity and demonstrated their single-cell resolution capabilities. Our work also involved enhancing the microprobe multifunctional capabilities and the range of experiments that it can be adapted to. We demonstrated that optical microprobes could be used with a multispectral optical detection system and adapted to include thin metallic layers as secondary electrodes to record local field potentials. It was also shown that they could be used with optogenetics tools to control the level of neuronal activity. Finally, photo-induced currents generated with the probes were used to develop an innovative method to resolve intrinsic membrane properties of neurons from the extracellular medium.

Dans les années 2000, les grandes instances de sécurité sanitaire ont proposé l’initiative PAT (Process Analytical Technology) pour inciter les acteurs des milieux pharmaceutiques et agroalimentaires à améliorer leurs méthodes de production et de contrôle des produits manufacturés en utilisant de nouvelles techniques innovantes. Cette thèse s’inscrit dans cette démarche et propose d’exploiter la spectroscopie Raman, couplée aux outils chimiométriques pour le suivi en temps réel de cultures cellulaires à visée pharmaceutique. Acquis à l’aide d’une sonde optique à immersion, les spectres Raman in situ permettent de bénéficier d’une vue d’ensemble de l’état biochimique du bioprocédé au cours du temps. Ainsi, en appliquant des outils chimiométriques adéquats, il est possible de tirer profit des informations spectrales générées, notamment pour prédire les concentrations métaboliques au cours du temps. Les travaux de recherche présentés dans cette thèse proposent tout d’abord de démontrer la nécessité d’optimiser l’acquisition spectrale et le traitement statistique des données pour différentes cultures cellulaires. Des modèles de régression robustes intégrant plusieurs sources de variabilité sont alors développés. Ils prennent en compte les variations inter-cultures, les changements de paramètres « procédés », le repositionnement des sondes optiques, voire le changement de lignée cellulaire. Enfin, ces mêmes spectres Raman sont utilisés pour développer des outils de contrôle statistique des procédés afin de détecter en temps réel des états anormaux comme par exemple la contamination ou encore pour prédire la concentration d’un produit d’intérêt comme les anticorps. / In the 2000s, the major sanitary safety authorities proposed the Process Analytical Technology initiative (PAT) encouraging pharmaceutical and agri-food industries to enhance their own processes and the control of manufacturing products by using new and innovative techniques. This thesis is directly related to this framework and proposes to use Raman spectroscopy, coupled to chemometric tools, to monitor cell cultures for pharmaceutical purposes. The in situ Raman spectra, acquired using an optical immersion probe, allow getting an overview of the biochemical state of the process in time. Thus, by applying the appropriate chemometric methods, it is possible to obtain biological information from the spectra, including the prediction of metabolite concentrations throughout the cultures. The research work presented here proposes to highlight the necessity to optimize spectral acquisition and statistical preprocessing of the data provided by different cell cultures. Then, robust regression models are developed, taking into account different sources of variability, such as inter-cultures variations, process parameters changes, optical probe repositioning and cell line variations. Finally, these spectra are used to determine the antibody concentration during the culture and to develop new tools for statistical process control of the batches. In this way, any abnormal behavior such as contamination can be detected.

En cas de sinistre, les infrastructures de communication peuvent être partiellement ou totalement détruites, ou inefficaces en raison du trafic élevé. Néanmoins, il est nécessaire d'assurer la connectivité entre les équipes de secours et le centre de commandement. Par conséquent, les solutions de communication temporaires sont essentielles jusqu'à ce que l'infrastructure soit rétablie. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur le déploiement d’une solution de communication appelée réseaux de substitution. Ainsi, nous proposons un algorithme d'auto - déploiement pour permettre aux routeurs mobiles et répartis composant un réseau de substitution de couvrir la zone cible. Notre algorithme surveille les conditions du réseau pour décider si le routeur doit ou non se déplacer, ajustant la position de ce dernier en fonction des informations à un saut au moyen de la mesure active, c'est à dire, les paquets sondes. Ces paquets sondes permettent à l'algorithme de surveiller le canal et ses éventuels changements au fil du temps. Si le taux de transmission des paquets est suffisamment élevé, les connaissances obtenues seront exactes, cependant, le coût augmentera proportionnellement en consommant plus de ressources réseau. Par conséquent, nous proposons d'utiliser des données de substitution obtenus au moyen d'un estimateur autorégressif pour réduire la surcharge sans impacter notre algorithme de déploiement. Nous montrons par simulation l'efficacité des deux algorithmes et leurs performances en termes de temps de déploiement, de délai, de gigue et de débit. / In case of a disaster, the communication infrastructure may be partially or totally destroyed, or insufficient due to the high data traffic. Despite this, it is necessary to provide connectivity between the rescue teams and the command center. Therefore, temporary communication solutions are crucial until the infrastructure is restored. In this thesis, we focus on the deployment of communication solution called substitution networks. Thus, we propose a self-deployment algorithm to allow mobile routers that compose a substitution network spread out to cover the target area. Our algorithm monitors the network conditions to decide whether the router should move or not, adjusting its position based on one-hop information by means of active measurement, i.e., probe packets. Such probe packets allows the algorithm to monitor the channel and its eventual changes over time. If the probe transmission rate is enough high, the insights obtained will be accurate, however, the overhead will increase proportionally consuming network resources. Hence, we propose to use surrogate data obtained by means of an autoregressive estimator to reduce the overhead without impacting our deployment algorithm. We show by simulation the efficiency of both algorithms and their performance in terms of deployment time, delay, jitter, and throughput.

L’acquisition de connaissances sur le devenir des éléments traces sensibles aux variations redox dans les sols et les sédiments est une composante clé pour améliorer la gestion du stockage des déchets radioactifs par l’Andra (Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs), ainsi que celle des sédiments pollués dans la région Nord-Pas de Calais (NPdC). Pour contribuer à répondre à cette problématique, des sédiments fluviaux ont été choisis comme proxy, notamment en raison de l’existence de gradients redox importants. Des méthodes de spéciation ont été développées : (i) techniques chromatographiques couplées à un ICP-MS (Inductively Coupled Plasma – Mass Spectrometry) pour séparer et quantifier les espèces arséniées [As(III), As(V), DMMAV and MMAAV] et chromées [Cr(III) and Cr(VI)] ; et (ii) déploiement combiné de sondes DGT (Diffusive Gradient in Thin film) contenant des gels chélatants spécifiques à certaines espèces arséniées [As(III) et As total]. Ces méthodes ont ensuite été appliquées au cours d’un suivi saisonnier sur la Marque, rivière péri-urbanisée, où les sédiments sont faiblement contaminés en As et en Cr. Les résultats obtenus montrent que le chrome est uniquement présent sous forme réduite Cr(III), rendant difficile l’évaluation des paramètres forçant les inter-conversions redox entre Cr(III) et Cr(VI). L’arsenic est présent uniquement sous formes inorganiques dans les eaux interstitielles : As(III), As(V) et espèces thioarséniées (non caractérisées). L’évolution saisonnière de la spéciation en phase dissoute de l’arsenic dépend essentiellement de la production en S(-II) dissous par les bactéries sulfato-réductrices. Ces avancées montrent l’attention particulière à porter sur le niveau de production en S(-II) dissous dans les environnements de sub-surface puisque la réduction de d’As(V) en As(III) accroit la mobilité et la toxicité de l’arsenic. / The French national radioactive waste management agency (Andra) and the Nord-Pas de Calais (NPDC) Region aim to better understand the fate of the redox sensitive trace elements in soils and river sediments to ameliorate the management of polluted sediments and of the storage of radioactive wastes. To address this problematic, some river sediments were selected as proxies, as strong redox gradients can be observed. Two methods have been developed to study the speciation of As and Cr: (i) HPIC-ICP-MS (High Performance Ionic Performance – Inductively Coupled Plasma – Mass Spectrometry) coupling in order to separate and quantify As [As(III), As(V), DMMAV and MMAAV] and Cr species [Cr(III) and Cr(VI)], and (ii) DGT probes (Diffusive Gradient in Thin Film) containing specific chelating binding gels to quantify As species [As(III) and total As]. These methods have been implemented to monitor the low contaminated porewaters of the Marque river during 9months. The results demonstrated that chromium is present only under its reduced form Cr(III), which makes difficult to assess the parameters that force redox inter-conversions between Cr(III) and Cr(VI). Arsenic is present only under its inorganic forms: As(III), As(V), and thio-arsenical species. Seasonal changes of As speciation in the dissolved phase depends mainly of S(-II) production by sulfate-reducing bacteria, which makes the amount of dissolved S(-II) an important parameter to follow through time since the As reduction increases its mobility and toxicity.

La plupart de sondes oscillantes pour microscope à force atomique (AFM) commerciale sont basées sur des micro- cantilevers qui peuvent donner la mesure avec une résolution pico-Newton. Toutefois, ces résonateurs de flexion souffrent de faible fréquence de résonance et de facteur de qualité lors de l'utilisation dans un liquide. En outre, la détection optique limite également l'intégration du système et la miniaturisation de la sonde. Par conséquent, l’objectif principal des travaux présentés dans cette thèse est de remplacer le cantilever standard de l’AFM par un microsystème résonant à haute fréquence, présentant un facteur de qualité élevé et dont l’actionnement comme la détection seront intégrés. Plusieurs structures oscillantes sont proposées comme les anneaux vibrant en mode elliptique, les plaques rectangulaires vibrant en mode extension et les «dog-bone » résonateurs vibrant en mode extension. Les méthodes d’excitation et de détection intégrés sont étudiées et comparées, par exemple: excitation électrostatique/détection piézo-résistif, excitation/détection piézo-électrique et excitation thermique/détection piezo-résistif. Le procédé de fabrication de ces nouvelles sondes AFM sont définies et effectuées et les caractéristiques électriques et mécaniques sont mesurées telles que la fréquence de résonance, le facteur de qualité et l'amplitude des vibrations. En général, ces sondes résonnent entre 1 et 5 MHz avec un facteur de qualité de plusieurs milliers dans l'air. Plusieurs sondes sont ensuite monté sur un microscope AFM commercial et une imagerie sur les échantillons PMMA sont obtenus. La résolution de force la plus élevée déduite est d'environ 10 pN/Hz0.5. / Most of commercial Atomic Force Microscope (AFM) oscillating probes are based on micrometric cantilevers which can make measurement with pico-Newton force resolution. However, these flexural vibrating cantilever resonators suffer from low quality factor when operating in liquids and the laser-based vibration sensing unit limits the integration and miniaturization. The major objective of this thesis is thus studying alternative MEMS-based AFM probe with high resonance frequency and quality factor as well as integrated driving and sensing transduction. Several in-plane oscillating structure is proposed such as flexural vibration ring resonators, extensional vibration rectangular plates and extensional vibration dog-bone resonators. Variety kinds of integrated driving and sensing methods are investigated and compared, for example: electrostatic excitation/piezoresistive detection, piezoelectric excitation/detection, and thermal excitation/piezo-resistive detection. The fabrication process of these new AFM probes are defined and carried out and both the electrical and mechanical properties are measured such as the resonance frequency, the quality factor and the vibration amplitude. In general, these probes resonate between 1 to 5 MHz with a quality factor of several thousands in air. Well-performing probes are then mounted onto a commercial AFM microscope and topographic images of patterned sample surfaces are obtained. The highest force resolution deduced from the measurement is about 10 pN/Hz0.5.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2004. / Titre de l'écran-titre (visionné le 23 février 2006). Bibliogr.

Les nanoparticules d'oxydes dopés par des lanthanides sont d'un intérêt particulier pour leur luminescence propre à la nature des ions dopants et non à la taille du matériau. La voie colloïdale est souvent la méthode la mieux adaptée pour obtenir des objets nanométriques, individualisés, bien cristallisés et dispersables dans un milieu donné avec une fluorescence optimisée. Toutefois, elle reste difficile à réaliser pour ces matériaux de température de cristallisation élevée et conduit à des nanocristaux dont les propriétés physiques sont généralement altérées par les défauts cristallins. Ce travail de thèse a ainsi été consacré à l'élaboration de nanoparticules YVO4:Ln parfaitement monocristallines et à l'étude de leurs propriétés optiques. Les nanocristaux formés sont issus d'une synthèse colloïdale suivie d'un traitement thermique dans une matrice de silice mésoporeuse. Les particules obtenues sont monocristallines, nanométriques (40 nm) et stables dans l'eau. Les spectres de luminescence des particules YVO4:Ln sont semblables à ceux des matériaux microniques. Avec un dopage par Eu3+, les rendements de luminescence atteignent 40%. Cette valeur, plus faible que pour le massif (68%), s'explique par la limitation induite par un indice de réfraction plus faible que dans le monocristal massif. Avec un codopage par Yb3+ et Er3+, le phénomène d'upconversion a été observé et étudié pour la 1ère fois en solution aqueuse. Ces nanoparticules sont des convertisseurs relativement efficaces de photons infrarouges en photons visibles. Les particules YVO4:Eu ont par ailleurs été fonctionnalisées pour être utilisées comme sondes biologiques.

Proefschrift--Universiteit Leiden, 2003. / Résumés en flamand et en allemand. Bibliogr. en fin de chapitres.

Thèse doctorat : Génie Electrique : INSA LYON : 2002. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr., 11 p.

Thèse de doctorat : Sciences de la Vie et de la Santé. Biophysique : Strasbourg 1 : 2007. / Thèse soutenue sur un ensemble de travaux. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 16 p.