La spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) Haute Résolution à l’angle magique (HRMAS) joue un rôle de plus en plus prépondérant pour le diagnostic médical. Cette technique permet d’établir les empreintes ex vivo des métabolites de tissus sains et pathologiques. Cependant, pour certains métabolites, les valeurs des déplacements chimiques des groupes de protons peuvent légèrement varier en fonction de l’environnement des tissus ou cellules, particulièrement de son acidité. Cet effet gêne l’estimation correcte des concentrations des métabolites lorsqu’on utilise des algorithmes fondés sur des bases de métabolites. Ce travail est dévolu aux méthodes d’optimisation des bases de métabolites, notamment aux algorithmes de correction des changements de déplacements chimiques. Deux méthodes de traitement du signal ont été développées pour l’optimisation simple et rapide des signaux / spectres : contraction/expansion du signal moyennant ré-échantillonnage et fractionnement du spectre. Une autre méthode, QM-QUEST, conjuguant la simulation par Mécanique Quantique et la quantification, a été mise en œuvre. Cette dernière permet l’ajustement plus robuste des spectres en limitant l’implication de l’utilisateur et préserve les empreintes correctes des métabolites. Son efficacité est démontrée pour la quantification de spectres RMN de biopsies cérébrales humaines d’oligodendroglioma, obtenues à 11.7 Tesla et de spectres de cellules acquis à 9.4 T par la technique RMN-HRMAS. Etant donné la nécessité de simulation rapide des signaux RMN basée sur la Mécanique Quantique, une partie du travail est vouée à une méthode approchée accélérant la simulation. L’algorithme fondé sur la fragmentation du système de spins pourrait devenir une partie importante de la méthode d’optimisation QM-QUEST et sema mis en œuvre en tant qu’option de simulation de la méthode NMR-SCOPE, module du logiciel jMRUI. / From day to day, the role of HRMAS (High-Resolution Magic Angle Sinning) Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMRS) in medical diagnosis is increasing. This technique enables setting up metabolite profiles of ex vivo pathological and healthy tissue. Automatic spectrum quantitation enables monitoring of diseases. However for several metabolites, the values of chemical shifts of proton groups may slightly differ according to the micro-environment in the tissue or cells, in particular to its pH. This hampers accurate estimation of the metabolite concentrations mainly when using quantitation algorithms based on a metabolite basis-set. The present word is devoted to the optimization of NMR metabolite basis set signals, particularly to the algorithms of chemical shift mismatch correction. Two sighal processing (“warping”) methods were developed for simple and fast spectrum optimization : signal stretching/shrinking (resampling) and spectrum splitting. Then, another optimization method, QM-QUEST, coupling Quantrum Mechanical simulation and quantitation algorithms was implemented. The latter provides more robust fitting while limiting user involvement and respects the correct fingerprints of metabolites. Its efficiency is demonstrated by accurately quantitating signals from tissue samples of human brains with oligodendroglioma, obtained at 11.7 Tesla and spectra of cells acquired at 9.4T by HRMAS-NMR. As the necessity of fast NMR signal simulation based on quantum Mechanics is raised in the thesis, a part of the word is dedicated to an approximate method speeding-up the calculations. The algorithm based on spin-system fragmentation could become an important part of the QM-QUEST optimization method and will be implemented as an option of simulation in NMR-SCOPE, module of the jMRUI software package.

La Spectroscopie de Résonance Magnétique (SRM) constitue un outil non-invasifunique pour l’exploration biochimique du métabolisme des organismes vivants. Cependant,en raison des champs magnétiques couramment utilisés chez l’homme etle petit animal, la SRM in vivo du proton ne permet pas de quantifier précisémentla concentration de tous les métabolites présents dans le cerveau. La SRM à deuxdimensions spectrales (SRM 2D), technique utilisée en routine en chimie, permetde séparer efficacement les signatures spectrales des métabolites facilitant ainsi leuridentification et leur quantification en termes de concentrations. Les travaux réalisésdans le cadre de cette thèse concernent le développement de méthodes d’acquisitionet de quantification de spectres RMN 2D J-résolus in vivo et sont présentéssuivant deux axes majeurs. Le premier axe concerne les travaux relatifs à la SRM2D J-résolue conventionnelle qui ont fait l’objet du développement d’une séquenceJ-PRESS sur un imageur 7 T pour l’acquisition de spectres 2D sur le cerveau de rat.Les données acquises sont traitées avec une méthode d’analyse spectrale développéeet optimisée spécifiquement pour la quantification de données SRM 2D J-résolues,reposant sur une connaissance a priori et un ajustement numérique dans le domainetemporel. Le second axe concerne les travaux relatifs à la réduction de la duréed’acquisition en SRM 2D avec le développement de techniques basées sur le conceptrécent de RMN ultrarapide. Une nouvelle séquence de SRM 2D J-résolue ultrarapidea été développée et validée sur un imageur 7 T et a permis l’acquisition de spectres2D complets avec une durée d’acquisition de l’ordre de la seconde. / In vivo proton Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) is a powerful tool for metabolicprofiling because this technique is non-invasive and quantitative. However,conventional localized spectroscopy presents important in vivo metabolic informationthrough overlapped spectral signatures greatly affecting the quantification accuracy.Two-dimensional (2D) MRS, originally developed for analytical chemistry,has great potential to unambiguously distinguish metabolites. Therefore, metabolitequantification is improved allowing accurate estimation of their concentrations. Inthis thesis, the research findings are presented under two main headings. The firstline of research focuses on conventional 2D MRS J-resolved. A J-PRESS sequencewas developed allowing the acquisition of in vivo 2D MRS spectra, which were processedby a dedicated quantification method. Experiments were performed on therat brain using a 7 T imaging system and different sampling strategies were evaluated.The quantification method, specifically developed to handle 2D J-resolved MRSdata quantification in time domain, is based on a strong prior-knowledge. However,2D MRS suffers from long acquisition times due to the collection of numerous incrementsin the indirect dimension. Therefore, the second line of research focuseson the reduction of acquisition time using recently developed methods based on theultrafast NMR concept. A new pulse sequence was designed, allowing 3D localizedultrafast 2D J-resolved spectroscopic acquisition on a 7T small animal imaging system. This breakthrough allows the acquisition of a complete 2D spectrum in a singlescan, resulting in acquisition times of a few seconds.

Dans ce travail, nous nous concentrons sur la caractérisation de l'environnement physico-chimique des éléments présents dans des multicouches à base de cobalt qui travaillent dans les domaines des rayons X mous et extrême ultra-violet (EUV). L'observation des modifications des interface des deux systèmes Co/Mo2C et Co/Mo2C/Y lors du recuit est important pour l'amélioration de leurs performance optique. Ils ont été étudiés en combinant des méthodes non destructives, spectroscopie d'émission des rayons X, résonance magnétique nucléaire, réflectométrie de rayons X et des méthodes destructrices, spectrrométrie de masse d'ions secondaires par temps de vol et la Microscopie électronique en transmission pour étudier leurs propriétés interfaciales. Ce travail vise non seulement à la conception et la fabrication de nouveaux éléments optiques pour faire face au développement des sources et des applications dans les demaines des rayons X mous et l'EUV, mais aussi à développer une méthodologie combinant des simulations et des expérimentations consacrée à l'analyse des interfaces dans structures multicouches afin d'améliorer leur propriétés optiques. / In this work, we focus on the characterization of physico-chemical environment of the element present in Co-based multilayers working in the soft x-ray and EUV ranges. The observation of interface changes of both systems Co/Mo2C and Co/Mo2C/Y upon annealing is important for improving their optical performance. They were studied by combining non-destructive methods, x-ray emission spectroscopy, nuclear magnetic resonance spectroscopy, x-ray reflectometry and destructive methods, time-of-flight secondary ions mass spectroscopy and transmission electron microscopy to investigate their interface properties. This work aims not only at designing and fabricating new optical elements to face the development of sources and applications in the EUV and soft x-ray ranges, but also at developing a methodology combining simulations and experiments devoted to the interface analysis in these multilayer structures in order to improve their optical properties.

Dans cette thèse, nous avons étudié plusieurs combinaisons de matériaux et quelques méthodes d’ingénierie des interfaces : introduction de barrières de Zr dans les multicouches Co/Mg ; pulvérisation réactive des multicouches Co/Ti ; incorporation de B et C dans les multicouches Cr/Ti and remplacement de Mo par Mo2C dans le système Mo/B4C. Les propriétés des interfaces enterrées ont pu être étudiées en combinant XRR, XPS, TEM, etc. De plus, un modèle pour analyser les empilements a été développé en se basant sur la fluorescence X induite par ondes stationnaires. Pour les multicouches à base de Co, nous avons effectué des mesures RMN pour comprendre le comportement des atomes de cobalt dans les empilements. Ces méthodes se révèle des outils puissants pour analyser les multicouches sans dommages. / In this thesis, we study several material combinations and some interface engineering methods...

Le travail de thèse est dédié à la caractérisation de fusions spécifiques oncogéniques entre les gènes FGFR et TACC dans les gliomes. Nous avons analysé 907 gliomes pour la présence du gène de fusion FGFR3-TACC3. Nous avons montré que les fusions FGFR3-TACC3 ne touchent que les gliomes IDH wild-type (3%), sont mutuellement exclusives avec l'amplification de EGFR et avec la forme tronquée EGFRvIII et inversement, sont associées à l'amplification de CDK4 et de MDM2 et à la délétion du 10q. Les fusions FGFR3-TACC3 sont associées à une expression intense et diffuse de FGFR3 en immunohistochimie (IHC) et l'IHC pour FGFR3 est un marqueur prédictif très sensible de la présence des fusions FGFR3-TACC3. Les patients porteurs d'une fusion FGFR3-TACC3 ont une survie globale significativement plus longue comparés aux patients avec gliome IDH wild-type. Nous avons traité deux patients porteurs d'un gène de fusion FGFR3-TACC3 avec un inhibiteur tyrosine-kinase (TK) spécifique pour FGFR et nous avons observé une stabilisation de maladie et une réponse mineur chez un patient. Dans la deuxième section nous avons optimisé une nouvelle séquence de spectroscopie différentielle-MEGA-PRESS-pour la détection de l'oncometabolite 2-hydroxyglutarate (2 HG) qui s'accumule de manière spécifique dans les gliomes IDH mutés. Nous avons analysé de façon prospective une cohorte de 25 patients avant chirurgie pour probable gliome de grade II et grade III. Nous avons trouvé que la MEGA-PRESS est hautement spécifique (100%) et sensible (80%) dans la prédiction de la présence de la mutation IDH. Son taux est corrélé aux concentrations de 2 HG mesurés sur tissu congelé par spectrométrie de masse (GC-MS/MS). / This work is devoted to the characterization of a specific oncogenic fusion between FGFR and TACC genes in gliomas. Overall, we screened 907 gliomas for FGFR3-TACC3 fusions. We found that FGFR3-TACC3 fusions exclusively affect IDH wild-type gliomas (3%), and are mutually exclusive with the EGFR amplification and the EGFR vIII variant, whereas it co-occurs with CDK4 amplification, MDM2 amplification and 10q loss. FGFR3–TACC3 fusions were associated with strong and homogeneous FGFR3 immunostaining. We show that FGFR3 immunostaining is a sensitive predictor of the presence of FGFR3-TACC3 fusions. FGFR3-TACC3 glioma patients had a longer overall survival than those patients with IDH wild-type glioma. We treated two patients with FGFR3–TACC3 rearrangements with a specific FGFR-TK inhibitor and we observed a clinical improvement in both and a minor response in one patient. In the second section, we developed a non-invasive diagnostic tool by 1H-magnetic resonance spectroscopy in IDH mutant gliomas. We optimized a uniquely different spectroscopy sequence called MEGA-PRESS for the detection of the oncometabolite 2-hydroxyglutarate (2 HG) that specifically accumulates in IDH mutant gliomas. We analysed a prospective cohort of 25 patients before surgery for suspected grade II and grade III gliomas and we assessed specificity and sensitivity, correlation with 2 HG concentrations in the tumor and associations with grade and genomic background. We found that MEGA-PRESS is highly specific (100%) and sensitive (80%) for the prediction of IDH mutation and correlated with 2 HG levels measured by gas chromatography-tandem mass spectrometry (GC-MS/MS) in frozen tissue.

Les supercapacités électrochimiques sont des dispositifs de stockage d’énergie à haute puissance, permettant d’emmagasiner et de relarguer l’énergie très rapidement. Parce qu’ils ne peuvent stocker de grandes quantités d’énergie, ces dispositifs sont souvent utilisés en tandem avec des batteries qui, elles, ont de grandes densités d’énergie. Le stockage d’énergie dans les supercapacités se fait principalement par le déplacement des ions dans la double couche électrique de carbones activés (élaboré par un traitement thermique en base concentrée pour augmenter la taille et la quantité des pores) à haute surface spécifique. La présence de réactions faradiques lors du stockage permettrait d’augmenter l’énergie spécifique des supercapacités et d’en améliorer l’utilisation. L’approche préconisée dans le groupe Rochefort pour arriver à ce but est d’ajouter une espèce redox soluble dans l’électrolyte. Les liquides ioniques redox (donc modifiés avec un centre électroactif) sont particulièrement prometteurs par leur grande solubilité dans les électrolytes à base de solvants organiques. Il y a toutefois bien peu de connaissances sur leur fonctionnement et leurs interactions avec les électrodes de carbone activé. Dans le cadre de ce mémoire, nous avons étudié les interactions entre un liquide ionique redox modifié avec le groupement ferrocène [EMIm][FcNTf] (1-Ethyl-3-methylimidazolium Ferrocénylsulfonyl(trifluorométhylsulfonyl) imide) et deux matériaux en carbone poreux. L’utilisation de deux carbones commerciaux YP-80F et YP-50F, qui ont une des formes de pores semblable, mais des distributions des pores différentes, a permis de mieux comprendre l’effet de la taille des pores sur le stockage. Le carbone avec la plus grande proportion de pores de grande taille allant jusqu’à 3 nm, le YP-80F, a révélé une forte augmentation de l’énergie spécifique de l’ordre de 30 % à 40 % par rapport à celui avec des pores plus restreints (32,9 Wh/kg pour YP-80F contre 19,7 Wh/kg pour YP-50F). Pour déterminer si l’augmentation de l’énergie spécifique est à l’origine d’une meilleure accessibilité des ions redox volumineux aux pores du carbone, nous avons utilisé la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire à l’état solide (RMN en 19F). Les études RMN ont montré que le carbone YP-80F, lors de sa charge, contient une plus grande proportion d’ions dans les pores que le YP-50F qui présente des pores de plus petite taille. Ces résultats permettront de développer des espèces électroactives mieux adaptées aux carbones avec lesquels elles sont utilisées et d’améliorer le stockage d’énergie dans les supercapacités électrochimiques. / Electrochemical supercapacitors are high-power energy storage devices that can store and release energy very quickly. Because they cannot store large quantities of energy, these devices are often used in tandem with batteries, which have high energy densities. Energy storage in supercapacitors is mainly achieved by moving ions in the electric double layer of activated carbons with high specific surface area. The addition of faradic reactions during storage would increase the specific energy of supercapacitors and improve their utilization. The approach followed by the Rochefort group to achieve this goal is to add a soluble redox species to the electrolyte of the supercapacitor. Redox ionic liquids (i.e. modified with an electroactive center) are particularly promising because of their high solubility in electrolytes. However, very little is known about how they work and interact with activated carbon electrodes. In this work, we studied the interactions between a redox ionic liquid modified with the ferrocene moiety and two porous carbon materials. Using two commercial carbons YP-80F and YP-50F, which have similar porosity but different pore distributions, we were able to gain a better understanding of the effect of pore size on storage. The carbon with the highest proportion of large pores, YP-80F, showed a strong increase in specific energy of the order of 30% to 40% over that with smaller pores (32,9 Wh/kg for YP-80F vs. 19,7 Wh/kg for YP-50F). Solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy was used to determine whether the increase in specific energy was due to greater accessibility of bulky redox ions to the carbon pores. NMR studies have shown that YP-80F carbon, when charged, contains a higher proportion of ions in the porosity than YP-50F, which has a more restricted porosity. These results will enable us to develop electroactive species better suited to the carbons with which they are used, and to improve energy storage in electrochemical supercapacitors.

Résumé : Les personnes atteintes de la maladie d’Alzheimer présentent une diminution de la capture cérébrale du glucose, qui semble être impliquée dans le développement des problèmes cognitifs associés à la maladie. Toutefois, il n’y a encore aucun consensus quant à savoir si la capture cérébrale du glucose est diminuée chez les personnes âgées cognitivement saines. En condition de déficit de glucose, les cétones sont le substrat énergétique alternatif pour le cerveau. La diète cétogène, induisant une cétose légère, améliore les fonctions cognitives chez les modèles animaux et chez l’homme. Notre premier objectif était d’évaluer l’effet du vieillissement sain et de la diète cétogène sur la capture cérébrale du glucose et des cétones chez le rat. Pour cela, la capture cérébrale de radiotraceurs analogues au glucose et aux cétones a été mesurée par tomographie par émission de positons. Nos résultats montrent que la capture des deux principaux substrats énergétiques du cerveau est globalement similaire chez des rats sains jeunes et âgés, mais est plus élevée suite à la diète cétogène. L’induction d’une cétose légère pourrait corriger la diminution de capture cérébrale du glucose subvenant au cours de la maladie d’Alzheimer. Le second objectif était de déterminer l’effet d’une diète cétogène sur le métabolisme cérébral du glucose et des cétones chez le rat. Pour cela, les différents intermédiaires des voies métaboliques du glucose et des cétones ont été mesurés par spectroscopie par résonance magnétique nucléaire. Les résultats démontrent que le métabolisme du glucose et des cétones dans les cellules du cerveau est plus élevé suite à la diète cétogène. Le contenu en acide [gamma]-aminobutyrique, le principal neurotransmetteur inhibiteur, est aussi plus élevé suite à la diète cétogène, ce qui pourrait contribuer à l’effet antiépileptique de la diète cétogène. Le troisième objectif était d’évaluer l’impact d’une restriction calorique à long terme, pouvant induire une cétose légère, sur le métabolisme cérébral chez des rats âgés sains. Nos résultats montrent que, couplée à une diète à haute teneur en sucrose et faible en acides gras oméga-3, la restriction calorique à long terme chez les rats âgés ne modifie pas le profil des métabolites et des acides gras du cerveau. La déficience en acides gras oméga-3 et la surcharge de sucrose pourraient empêcher une grande partie des effets bénéfiques de la restriction calorique au cerveau.//Abstract : Alzheimer’s disease is associated with a reduction of brain glucose uptake, which may be involved in the development of the cognitive problems associated with the disease. It is however unclear whether brain glucose uptake is decreased in the cognitively healthy elderly. Under conditions of glucose deficit, ketones are the alternative brain energy substrate. A mild ketosis, induced by the ketogenic diet, improves cognitive functions in animal models and humans. Our first objective was to evaluate the effect of healthy aging and of a ketogenic diet on brain glucose and ketone uptake in the rat. Brain uptake of radiotracers analogous to glucose and ketones was measured by positron emission tomography. Our results show that the uptake of the brains two main energy substrates is generally similar in healthy young and aged rats, but is higher under the ketogenic diet. The induction of a mild ketosis may compensate the reduction of brain glucose uptake occurring in Alzheimer’s disease. The second objective was to assess the effect of a ketogenic diet on brain glucose and ketone metabolism in the rat. Metabolic pathway intermediates of glucose and ketones were measured by nuclear magnetic resonance spectroscopy. Results show that glucose and ketone metabolism in brain cells is higher under the ketogenic diet. Content of [gamma]-aminobutyric acid, the main inhibitory neurotransmitter, is also higher under the ketogenic diet, which could contribute to the antiepileptic effect of the ketogenic diet. The third objective was to evaluate the effect of a long-term calorie restriction, which may induce a mild ketosis, on brain metabolism in healthy aged rats. Our results show that, in conjunction with a diet enriched in sucrose and low in omega-3 fatty acids, long-term calorie restriction in aged rats does not change brain metabolite and fatty acid profiles. Omega-3 fatty acid deficiency and an overload of sucrose may prevent the beneficial effects associated with calorie restriction in the brain.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Malgré le développement de nouvelles générations d’antipsychotiques, certains symptômes schizophréniques ne répondent pas à ces traitements. S’appuyant sur des hypothèses physiopathologiques sous tendant ces symptômes, de nouvelles thérapeutiques comme la thérapie de remédiation cognitive et les techniques de neurostimulation externe ont été développées. Cette approche était restée essentiellement clinique. Dans ce travail, l’étude en imagerie des mécanismes biologiques sous tendant les effets bénéfiques de ces thérapeutiques non pharmacologiques nous a permis de tester des hypothèses physiopathologiques. L’IRM fonctionnelle (IRMf) et la spectroscopie par résonance magnétique (SRM) ont été utilisées pour rechercher les effets d’une thérapie de remédiation cognitive (TRC), de la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) et de la stimulation électrique transcrânienne en courant continu (tDCS). Nous avons mis en évidence (1) que la TRC modifie les activations cérébrales durant une tâche de mémoire de travail chez des patients schizophrènes (2) que la TMS modifie la biochimie cérébrale de la zone stimulée et de régions cérébrales profondes chez un patient schizophrène, (3) que la tDCS modifie les réseaux de connectivité fonctionnelle d’une tâche de repos chez des volontaires sains / Despite the development of new generation antipsychotic drugs, some symptoms of schizophrenia do not respond to these treatments. Based on the pathophysiological hypothesis underlying these symptoms, new therapies such as cognitive remediation therapy and neurostimulation techniques have been developed. This approach remained essentially clinical. In this work, the study of biological mechanisms tending benefits of these non-pharmacological treatment has allowed us to test these pathophysiological hypotheses. Functional MRI (fMRI) and magnetic resonance spectroscopy (MRS) were used to investigate the effects of cognitive remediation therapy (CRT), transcranial magnetic stimulation (TMS) and transcranial direct current stimulation (tDCS). We demonstrated (1) that CRT modifies cerebral activations during a working memory task in patients with schizophrenia, (2) that TMS modifies brain biochemistry of the stimulated area and of deep brain regions in a patient with schizophrenia and (3) that tDCS modifies the functional connectivity in resting state networks of healthy volunteers

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