Aujourd’hui encore, malgré l’utilisation de techniques spectrochimiques de référence, l’aspect quantitatif de la spectroscopie sur plasma induit par laser (LIBS) reste largement en friche du fait d’effets de matrice incapacitants. La LIBS sans étalonnage (CF-LIBS) est une des façons considérées par la communauté scientifique afin de relever ce défi. Malgré ses postulats d’idéalité du plasma (ETL, homogénéité et stationnarité du plasma), à l’heure actuelle peu d’études extensives ont été développées afin de réaliser une évaluation critique de la méthode. A l’aide d’outils théoriques (modèle collisionnel-radiatif développé pour l’Aluminium, Argon et Cadmium) et expérimentaux (expérience de Diffusion Thomson) tirant leur origine de la physique des plasmas, ainsi que de cas pratiques d’analyses, nous tenterons d’établir le cahier des charges le plus favorable à l’analyse quantitative par CF-LIBS. L’application de cette méthode à l’analyse d’échantillons complexes (minéraux et sols pollués) sera discutée à l’aune de nos résultats et des connaissances actuellement disponibles en la matière. / Despite the existence of many benchmarked spectrochemical analysis techniques in the field of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), the quantitative analysis holds of the laser induced plasma still holds a huge number of analytical drawbacks, the occurrence of matrix effects not being the slightest among those ones.Calibration-Free LIBS was historically developped to address specifically those aspects, and has already reached a high level of maturation for the analysis of simple metallic or soil samples. Unfortynately, in spite of the strong assumptions that need to be necesserily considered in the CF-LIBS algorithm (such as Local Thermodynamic Equilibrium, and the homogeneity and stationnarity of the plasma), only a few number of contributions have been devoted to the critical assessment of the latter postulates to date. Thanks to the help of several case tests and theoretical (collisionnal-radiative model depicting aluminum, argon and cadmium plasmas) and experimental concepts originating from the field of plasma physics (Thomson-Scattering experiments intended to validate our results), we will focus our study on the research and development of novel experimental criteria that would allow an experimentalist to set up and analyze a CF-LIBS experiment in the least unfavourable theoretical and experimental conditions.We will eventually apply our new considerations on the prediction of the CF-LIBS analysis efficiency, coming to the specific field of interest of analysis of geophysical samples (such as soils polluted by heavy metals). A special interest will be paid on the latest developments appearing nowadays in the field of LIBS, and devote a part of our debate on the expectancies that will have to be fulfilled in order to highen the analysis potential of LIBS.

Le but de ce travail de thèse a été de développer à MIRC en une capacité à observer deux aspects clefs du métabolisme cérébral chez le rongeur par spectroscopie RMN des noyaux X : le métabolisme mitochondrial du glucose à partir de l’observation du 13C et la synthèse d’ATP par observation du 31P. Ces développements s’inscrivent à la fois dans une recherche fondamentale pour améliorer notre compréhension du signal RMN et raffiner son analyse ainsi que du métabolisme cérébral chez les sujets sains. Ils s’inscrivent aussi dans une recherche translationnelle avec la possibilité d’évaluer certains aspects du métabolisme comme potentiels biomarqueurs de maladies neurodégénératives. Ces travaux ont pu être réalisés à très haut champ (11.7T) permettant d’obtenir un meilleur rapport signal à bruit. Dans un premier temps, nous présenterons le développement d’une séquence de transfert de saturation pour la mesure des flux de synthèse d’adénosine triphosphate (ATP) et de phosphocréatine (PCr). Cette séquence a été optimisée pour sélectionner avec un module de localisation ISIS le signal émis par le cerveau uniquement. Avec l’augmentation de la résolution spectrale à haut champ, cette séquence a pu être utilisée pour caractériser le phosphate inorganique extracellulaire, et prévenir un biais de quantification possible à plus bas champ. De plus, elle a permis l’observation de l’adaptation du métabolisme cérébral chez les rats transgéniques BACHD, modèles de la maladie de Huntington. Ces rats présentent une augmentation d’environ 10% de la concentration de PCr permettant de pallier à leur plus faible taux de synthèse d’ATP qui lui est diminué de moitié. Dans un second temps, la mise en place d’un pipeline automatisé d’analyse des données a permis d’explorer le modèle métabolique bicompartimental de la consommation de glucose observée en spectroscopie 13C, qui prend en compte le cycle de Krebs dans les neurones et les astrocytes. Deux corrections majeures ont été apportées au modèle traditionnel permettant d’expliquer les dynamiques à moyen et long termes. La première est la mise en évidence d’un pool de glutamate vésiculaire agissant comme tampon temporel au marquage du glutamate, la seconde est la présence d’une dilution 6 fois plus importante de pyruvate vers les astrocytes que vers les neurones. Ces résultats viennent renforcer les hypothèses entourant le couplage métabolique entre ces deux types cellulaires. Ces hypothèses ont pu être testées après l’optimisation d’une séquence d’acquisition du signal RMN des noyaux 13C par transfert de polarisation (DEPT), testée in vivo dans le cerveau du rat sain. Finalement, l’utilisation combinée de la spectroscopie 31P et 13C a été appliquée chez le rat sous intoxication chronique au 3-NP, une toxine inhibant le cycle de Krebs et utilisée comme modèle de la maladie de Huntington. / The aim of this thesis was to develop at MIRCen new capabilities to observe two key aspects of energy metabolism in rodent brains using X nuclei NMR spectroscopy: glucose consumption with 13C spectroscopy and adenosine triphosphate (ATP) synthesis with 31P measurements. These developments will be used to both expand general understanding of brain metabolism in healthy subjects but also provide technical tools to search for biomarkers in translational projects of drug development applied to neurodegenerative diseases. This work was done at very high field (11.7T) where signal to noise could be maximized. In the first part, we present the optimization of saturation transfer sequence to measure ATP synthesis rate as well as phosphocreatine (PCr) synthesis rate. With ISIS module, the signal was localized to a voxel containing only the brain, eliminating outside source of signal. With the higher spectral resolution offered by high fields, a second, extracellular pool of Pi was characterized which could prevent possible biases in flux quantification of ATP synthesis. This sequence was also applied to measure metabolic adaptation of BACHD rat models (models of Huntington’s disease, HD) where it was found that the 10% increase in PCr concentration could palliate the ATP synthase activity that is halved in this model. In the second part, we present how deeper analysis of 13C data using automatic differential equation writing script was used to better understand the bicompartmental model of glucose degradation to glutamate and glutamine, which accounts for TCA cycle in neurons and astrocytes. Two major corrections were made to the traditional model, to fit mid- and long-term unexplained dynamics. Looking at glutamate and glutamine isotopomer labeling dynamics, the necessity of adding a vesicular glutamate temporal buffer was made evident. The distinction between astrocytic and neuronal pyruvate dilution also showed that astrocytes use up to 6 times more pyruvate than neurons showing intricate metabolic coupling between the two cell types. These results have then been tested in vivo after optimization of the ISIS-DEPT sequence to observe 13C labeling in the rat brain. Finally, experiments combining 31P and 13C spectroscopy were performed on rats chronically intoxicated with 3-NP, a toxin inhibiting TCA cycle which is used as a model of HD.