Kieselalgen – auch Diatomeen genannt – verfügen über die einzigartige Fähigkeit, nanostrukturierte, hierarchisch aufgebaute Zellwände aus Siliziumdioxid – auch als Biosilica bekannt – mit beispielloser Genauigkeit und Reproduzierbarkeit zu bilden. Ein tieferes Verständnis für diesen Prozess, der als “Biomineralisation“ bekannt ist, ist nicht nur auf dem Gebiet der Grundlagenforschung zu Kieselalgen sehr bedeutsam, sondern auch für die Nutzung dieser Nanostrukturierung in den Materialwissenschaften oder der Nanobiotechnologie. Nach dem derzeitigem Stand der Wissenschaft wird diese Strukturierung durch die Selbstorganisation von Proteinmustern, an denen sich das Siliziumdioxid bildet, erreicht. Um die Funktion und das Zusammenspiel einzelner Proteine, die an diesem Biomineralisationsprozess beteiligt sind, entschlüsseln zu können, ist es essentiell ihre strukturelle Organisation aufzuklären und diese mit den morphologischen Zellwandmerkmalen zu korrelieren. Die Größenordnung dieser Merkmale ist im Bereich von Nanometern angesiedelt. Mit Hilfe der Elektronenmikroskopie können diese Biosilicastrukturen aufgelöst werden, jedoch ist keine proteinspezifische Information verfügbar. Ziel dieser Arbeit war es daher, eine Technik zu etablieren, die in der Lage ist, einzelne Biosilica-assozierte Proteine mit Nanometer-Präzision zu lokalisieren. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde Einzelmoleküllokalisationsmikroskopie (single-molecule localization microscopy, kurz: SMLM) beispielhaft in der Kieselalge Thalassiosira pseudonana etabliert. Die Position verschiedener Biosilica-assoziierte Proteine innerhalb des Biosilicas und nach dessen chemischer Auflösung wurde mit einer hohen räumlichen Auflösung bestimmt. Um quantitative Ergebnisse zu erhalten, wurde ein Analyse-Workflow entwickelt, der grafische Benutzeroberflächen und Skripte für die Visualisierung, das Clustering und die Kolokalisation von SMLM Daten beinhaltet. Um optimale Markierungen für SMLM an Biosilica-eingebetteten Proteinen zu finden, wurde ein umfassendes Screening von photo-schaltbaren fluoreszierenden Proteinen durchgeführt. Diese wurden als Fusionsproteine mit Silaffin3, einem Protein, welches eng mit der Biosilica-Zellwand assoziiert ist, exprimiert. Es konnte gezeigt werden, dass nur drei von sechs Kandidaten funktional sind, wenn sie in Biosilica eingebettet sind. Silaffin3 konnte indirekt mittels SMLM mit einer Lokalisationsgenauigkeit von 25 nm detektiert werden. Dies erlaubte es, seine strukturelle Organisation aufzulösen und Silaffin3 als eine Hauptkomponente in der Basalkammer der Fultoportulae zu identifizieren. / Diatoms feature the unique ability to form nanopatterned hierarchical silica cell walls with unprecedented accuracy and reproducibility. Gathering a deeper understanding of this process that is known as “biomineralization” is vitally important not only in the field of diatom research. In fact, the nanopatterning can also be exploited in the fields of material sciences or nanobiotechnology. According to the current understanding, the self-assembly of protein patterns along which biosilica is formed is key to this nanopatterning. Thus, in order to unravel the function of individual proteins that are involved in this biomineralization process, their structural organization has to be deciphered and correlated to morphological cell wall features that are in the order of tens of nanometer. Electron microscopy is able to resolve these features but does not provide protein-specific information. Therefore, a technique has to be established that is able to localize individual biosilica-associated proteins with nanometer precision. To achieve this objective, single-molecule localization microscopy (SMLM) for the diatom Thalassiosira pseudonana has been pioneered and exploited to localize different biosilica associated proteins inside silica and after silica removal. To obtain quantitative data, an analysis workflow was developed including graphical user interfaces and scripts for SMLM visualization, clustering, and co-localization. In order to find optimal labels for SMLM to target biosilica-embedded proteins, a comprehensive screening of photo-controllable fluorescent proteins has been carried out. Only three of six candidates were functional when embedded inside biosilica and fused to Silaffin3 – a protein that is tightly associated with the biosilica cell wall. Silaffin3 could be localized using SMLM with a localization precision of 25 nm. This allowed to resolve its structural organization and therefore identified Silaffin3 as a major component in the basal chamber of the fultoportulae. Additionally, co-localization studies on cingulins – a protein family hypothesized to be involved in silica formation – have been performed to decipher their pattern-function relationship. Towards this end, novel imaging strategies, co-localization calculations and pattern quantifications have been established. With the help of these results, the spatial arrangement of cingulins W2 and Y2 could be compared with unprecedented resolution. In summary, this work has laid ground for quantitative SMLM studies of proteins in diatoms in general and contributed insights into the spatial organization of proteins involved in biomineralization in the diatom T. pseudonana.

“The game begins the moment a person touches a console -- everything builds from that.” (Quote by Shiguru Miyamoto; founder of Super Mario) This report contains a well-structured analysis of the main four Super Mario games that clearly states a difference in story, hardware, software development and design. The report is structured in sections for each game to better understand the concept of the Super Mario games. The report ends with comparisons of the games for a better view of the paradigm between them. The pictures and quotations in this report are referenced to the company that has copy write and Shiguru Miyamoto that is the founder of the character Super Mario. / Rapporten innehåller välstrukturerade analyser av fyra Super Mario spel som tydligt visar en skiljning i handling, hårdvaran, mjukvaran och design. Rapporten är strukturerad i sektioner för varje spel för en bättre förståelse av Super Mario spelen. Rapporten sammanfattas i jämförelser mellan spelen för en bättre översikt över paradigm skifterna mellan spelen.

Cette thèse est dédiée à l'étude de la fonction à trois points dans la théorie de jauge super-symétrique (SYM) N=4, dans la limite du grand nombre de couleurs, à l'aide de l'intégrabilité. La théorie de jauge N=4 SYM est invariante conforme au niveau quantique est on pense qu'elle est résoluble exactement. Par la correspondance AdS/CFT, elle est duale à la théorie des cordes de type IIB dans l'espace courbe AdS5× S5. Les fonctions à trois points sont des quantités qui contiennent de l'information essentielle sur la dynamique de la théorie.Nous passons en revue les méthodes déjà existantes et outils de l'intégrabilité qui sont nécessaires pour le calcul de la fonction à trois points. Nous présentons le calcul de la fonction à trois points dans le secteur SU(3), de rang supérieur à un, nous avons utilisé une représentation sous forme de déterminant, qui nous permets de prendre la limite semi-classique. En exploitant la relation entre des chaines de spin à langue portée et la chaine de Heisenberg inhomogène, nous avons développé une nouvelle pur calculer la fonction à trois points dans le secteur SU(2) à l'ordre d'une boucle qui nous permets d'obtenir le résultat dans une forme très compacte. Dans la limite de Frolov-Tseytlin ce résultat est en accord avec celui qu'on obtient au couplage fort.Nous avons exploré des nouvelles formulations de la fonction à trois points. En nous inspirant de la formulation de la théorie des champs des cordes dans la jauge du cone de lumière nous avons construit un vertex de spin, qui est la version de couplage faible du vertex des cordes, pour tous les secteurs à l'ordre des arbres. Cette approche peut être reliée au programme des facteurs de forme pour les théories de champs bi-dimensionnelles intégrables, dont nous rappelons ici les bases. Nous étudions la dépendance dans la taille du système pour une classe spéciale de fonction à trois points qui correspond aux facteurs de forme diagonaux. / This thesis is devoted to the study of three-point functions of N=4 Super-Yang-Mills (SYM) theory in the planar limit by using integrability. N=4 SYM theory is conformal invariant at quantum level and is believed to be completely solvable. By the AdS/CFT correspondence, it is dual to the type IIB superstring theory on the curved background AdS5×S5. The three-point functions are important quantities which contain essential dynamic information of the theory.The necessary tools in integrability and the existing methods of computing three-point functions are reviewed. We compute the three-point functions in the higher rank SU(3) sector and obtain a determinant representation for one special configuration, which allows us to take the semi-classical limit. By exploring the relation between long-range interacting spin chain and inhomogeneous XXX spin chain, we develop a new approach to compute three-point functions in the SU(2) sector at one-loop and obtain a compact result. In the Frolov-Tseytlin limit, this result matches the result at strong coupling.We also explore new formulations of the three-point functions. In one formulation inspired by the light-cone string field theory, we constructed the spin vertex, which is the weak coupling counterpart of the string vertex for all sectors at tree level. Another formulation which is related to the form factor boostrap program in integrable field theory is reviewed. At weak coupling, we study the finite volume dependence of a special type of three-point functions which are related to the diagonal form factors.

Water droplets tend to bead up on rough or textured hydrophobic surfaces by trapping air on the crevices underneath resulting in “Cassie” state of wetting. When a textured hydrophobic surface is immersed in water, the resulting underwater “Cassie” state can lead to significant drag reduction. The entrapped air pockets act as shear free regions and the composite interface consisting of alternate no slip and no shear regions thus formed can deliver substantial drag reduction during flow. The magnitude of drag reduction depends not only on the fractional coverage of air on the surface, but also on the size of the air pockets, with larger sized air pockets facilitating larger drag reduction. It is a common observance that Lotus leaf when kept immersed in water for a few minutes loses its water repellency due to the loss of entrapped air on the surface. Underwater Cassie state on textured hydrophobic surfaces is also not sustainable because of the depletion of air pockets caused by the diffusion of trapped air into water. This causes the drag reduction to diminish with time. Rate of diffusion of air across the water–air interface depends on the concentration gradient of air across the interface. Under flow conditions, removal of entrapped air is further enhanced by convection, leading to more rapid shrinkage of the air pockets. In order to sustain the Cassie state, it is thus necessary to continuously supply air to these air pockets. In this work, we explore the possibility of supplying air to the cavities on the textured surface inside a microchannel by controlling the solubility of air in water close to the surface. The solubility is varied by i) Controlling the absolute pressure inside the channel and ii) Localized heating of the surface To trap uniform air pockets, a textured surface containing a regular array of blind holes is used. The textured surface is generated by photo etching of brass and is rendered hydrophobic through a self-assembled monolayer. The sustainability of the underwater Cassie state of wetting on the surface is studied at various flow conditions. The air trapped on the textured surface is visualized using total internal reflection based technique, with the pressure drop (or drag) being simultaneously measured. Water which is initially saturated with air at atmospheric conditions, when subjected to sub-atmospheric pressures within the channel becomes supersaturated causing the air bubbles to grow in size. Further growth causes the bubbles to merge and eventually detach from the surface. The growth and subsequent merging of the air bubbles leads to a substantial increase in the pressure drop because as the air pockets grow in size, they project into the flow and start obstructing the flow. On the other hand, a pressure above the atmospheric pressure within the channel makes the water undersaturated with air, leading to gradual shrinkage and eventual disappearance of air bubbles. In this case, the air bubbles do cause reduction in the pressure drop with the minimum pressure drop (or maximum drag reduction) occurring when the bubbles are flush with the surface. The rate of growth or decay of air bubbles is found to be significantly dependent on the absolute pressure in the channel. Hence by carefully controlling the absolute pressure, the Cassie state of wetting can be sustained for extended periods of time. A drag reduction of up to 15% was achieved and sustained for a period of over 5 hours. Temperature of water also influences the solubility of air in water with higher temperatures resulting in reduced solubility. Thus locally heating the textured hydrophobic surface causes the air bubbles to grow, with the rate of growth being dependent on the heat input. The effect of trapped air bubbles on thermal transport is also determined by measuring the heat transfer rate through the surface in the presence and absence of trapped air bubbles. Even though the trapped air bubbles do cause a reduction in the heat transfer coefficient by about 10%, a large pressure drop reduction of up to 15% obtained during the experiments helps in circumventing this disadvantage. Hence for the same pressure drop across the channel, the textured hydrophobic surface helps to augment the heat transfer rate. The experiments show that, by varying the solubility of air in water either by controlling the pressure or by local heating, underwater Cassie state of wetting can be sustained on textured hydrophobic surfaces, thus delivering up to 15% drag reduction in both cases for extended periods of time. The results obtained hold important implications towards achieving sustained drag reduction in microfluidic applications.

Le cerveau est formé d’un réseau complexe de neurones responsables de nos fonctions cognitives et de nos comportements. Les neurones reçoivent via des contacts spécialisés nommés « synapses », des signaux d’autres neurones.[...] Le mécanisme par lequel les neurones reçoivent, intègrent et transmettent ces informations est très complexe et n'est toujours pas parfaitement compris. Dans les synapses excitatrices, les récepteurs AMPA (AMPARs) sont responsables de la transmission synaptique rapide. Les récents développements en microscopie de super résolution ont permis à la communauté scientifique de changer la vision de la transmission synaptique. Une première avancée fait suite à l’observation que les AMPARs ne sont pas distribués de façon homogène dans les synapses, mais sont organisés en nanodomaines de ~ 80 nm de diamètre contenant ~ 20 récepteurs. Ce contenu est un facteur important pour déterminer l'amplitude de la réponse synaptique. En raison de la basse affinité des AMPARs pour le glutamate, un AMPAR ne peut être activé que lorsqu'il est situé dans une zone de ~ 150 nm en face du site de libération des neurotransmetteurs. Récemment, il a été montré que les nanodomaines d’AMPARs sont situés en face de ces sites de libération, formant des nano-colonnes trans-synaptiques à l'état basal. Cette organisation précise à l’échelle nanométrique semble être un facteur clé dans l'efficacité de la transmission synaptique. Une autre avancée a été l'observation que les AMPARs diffusent à la surface des neurones et sont immobilisés à la synapse pour participer à la transmission synaptique. L'échange dynamique entre le pool diffusif d’AMPARs et les récepteurs immobilisés dans les nanodomaines participe au maintien de l’efficacité de la réponse synaptique lors de stimulations à hautes fréquences. L'objectif de ma thèse a été de déterminer le rôle des paramètres indiqués ci-dessus sur les propriétés de la transmission synaptique, à l'état basal et au cours de phénomènes dits de plasticité synaptique. Tout d'abord, nous avons identifié le rôle crucial de la Neuroligine dans l'alignement des nanodomaines d’AMPARs avec les sites de libération du glutamate. En plus de cela, nous avons mis en évidence l’impact de cet alignement sur l’efficacité de la transmission synaptique en perturbant celui-ci. En parallèle, nous avons démontré que les AMPARs désensibilisés sont plus mobiles à la membrane plasmatique que les récepteurs ouverts ou fermés, et ce, en raison d'une diminution de leur affinité pour les sites d’immobilisation synaptiques. Nous avons montré que ce mécanisme permettait aux synapses de récupérer plus rapidement de la désensibilisation et d'assurer la fidélité de la transmission synaptique lors de stimulations à hautes fréquences. Enfin, les synapses peuvent moduler leurs intensités de réponse grâce à des mécanismes de plasticité synaptique à long terme, et plus particulièrement, la dépression à long terme (LTD) qui correspond à un affaiblissement durable de ce poids synaptique. [...] À la suite des découvertes précédentes concernant le rôle de la nano-organisation dynamique des AMPARs pour réguler le poids et la fiabilité de la transmission synaptique, j'ai décidé d'étudier leur rôle dans l'affaiblissement et la sélection des synapses. J'ai découvert que la quantité d’AMPAR par nanodomaine diminue rapidement et durablement. Cette première phase semble due à une augmentation de l’internalisation des AMPARs. Dans un deuxième temps, la mobilité des AMPARs augmente suite à une réorganisation moléculaire de la synapse. Ce changement de mobilité des AMPARs permet aux synapses déprimées de maintenir leur capacité à répondre aux signaux neuronaux à hautes fréquences. Ainsi, nous proposons que l'augmentation de la mobilité des AMPARs au cours de la LTD permet de transmettre une réponse fidèle dans les synapses stimulées à hautes fréquences et donc de sélectivement les maintenir tout en éliminant les synapses inactives. / The brain is a complex network of interconnected neurons responsible for all our cognitive functions and behaviors. Neurons receive inputs at specialized contact zones named synapses which convert an all or none electrical signal to a chemical one, through the release of neurotransmitters. This chemical signal is then turned back in a tunable electrical signal by receptors to neurotransmitters. However, a single neuron receives thousands of inputs coming from several neurons in a spatial- and temporal-dependent manner. The precise mechanism by which neurons receive, integrate and transmit this synaptic inputs is highly complex and is still not perfectly understood. At excitatory synapses, AMPA receptors (AMPARs) are responsible for the fast synaptic transmission. With the recent developments in super-resolution microscopy, the community has changed its vision of synaptic transmission. One breakthrough was the discovery that AMPARs are not randomly distributed at synapses but are organized in nanodomains of ~80 nm of diameter containing ~20 receptors. This content is an important factor since it will determine the intensity of the synaptic response. Due to their mM affinity for glutamate, AMPARs can only be activated when located in an area of ~150 nm in front of the neurotransmitter release site. Recently, AMPAR nanodomains have been shown to be located in front of glutamate release sites and to form trans-synaptic nanocolumns at basal state. Thus, the nanoscale organization of AMPARs regarding release sites seems to be a key parameter for the efficiency of synaptic transmission. Another breakthrough in the field was the observation that AMPARs diffuse at the cell surface and are immobilized at synapses to participate to synaptic transmission. The dynamic exchange between AMPAR diffusive pool and the receptors immobilized into the nanodomains participates to maintain the efficiency of synaptic response upon high-frequency stimulation.The overall aim of my PhD has been to determine the role of each above listed parameters on the intimate properties of synaptic transmission both at basal state and during synaptic plasticity. First, we identified the crucial role of Neuroligin in the alignment of AMPAR nanodomains with glutamate release sites. In addition, we managed to break this alignment to understand its impact on synaptic transmission properties. In parallel, we demonstrated that, due to a decrease in their affinity for synaptic traps, desensitized AMPARs diffuse more at the plasma membrane than opened or closed receptors. This mechanism allows synapses to recover faster from desensitization and ensure the fidelity of synaptic transmission upon high-frequency release of glutamate. Finally, synapses can modulate their strength through long-term synaptic plasticity, in particular, Long-Term Depression (LTD) corresponds to a long-lasting weakening of synaptic strength and is thought to be important in some cognitive processes and behavioral flexibility through synapse selective elimination. Following the previous discoveries about the impact of AMPAR dynamic nano-organization at synapses on the regulation of the synaptic transmission strength and reliability, I decided to investigate their role in the weakening of synapses. I found that AMPAR nanodomain content drops down rapidly and this depletion last several minutes to hours. The initial phase seems due to an increase of endocytosis events, but in a second phase, AMPAR mobility is increased following a reorganization of the post-synaptic density. This change in mobility allows depressed synapses to maintain their capacity to answer to high-frequency inputs. Thus, we propose that LTD-induced increase in AMPAR mobility allows to conduct a reliable response in synapses under high-frequency stimulation and thus to selectively maintain them while eliminating the inactive ones.

L'objectif de cette thèse est la préparation d’aérogels biosourcés ayant des propriétés de super-isolation thermique. Pour cela, nous avons choisi de développer de nouveaux aérogels à base de nanofibres de cellulose (NFC). Les aérogels ont été préparés par lyophilisation. Dans un premier temps, une analyse des paramètres expérimentaux jouant un rôle sur la morphologie et les propriétés physico-chimiques des aérogels a été réalisée afin d’obtenir les meilleures propriétés d’isolation thermique. Avec une suspension de NFC à 2% en masse, sans ajout de sels et sans faire varier le pH, une lyophilisation réalisée dans des moules d’aluminium à une température de -80°C a permis d’obtenir des aérogels ayant une conductivité thermique de 0,024 W/m.K. Afin de diminuer cette conductivité thermique, nous avons choisi de réduire la taille des pores pour obtenir un effet Knudsen. Pour cela, une nouvelle technique de séchage a été proposée : la lyophilisation par pulvérisation. Les aérogels préparés dans les mêmes conditions expérimentales que précédemment avec cette technique ont des propriétés thermiques super-isolantes (0,018 W/m.K) grâce à la nano-structuration du réseau poreux. Finalement, un nouveau dispositif expérimental a été développé pour caractériser plus finement les propriétés thermiques des aérogels. C’est un dispositif transitoire impulsionnel qui permet d'estimer simultanément la contribution de la conduction solide et gazeuse, l'effet radiatif et la diffusivité thermique grâce à un modèle théorique simple. Ce dispositif permettra d’approfondir l’étude complexe du transfert thermique à travers des matériaux poreux semi-transparents tels que les aérogels. / The objective of this thesis is the preparation of renewable aerogels having thermal super-insulating properties. To do it, we designed new aerogels from nanofibrillated cellulose (NFC) by freeze-drying. This technique is simple and has the advantage of not using organic solvents. First of all, the parameters playing a role on the aerogel morphology and physico-chemical properties of the aerogels were analyzed to get the best thermal insulating properties. Using 2 wt% NFC suspensions, without addition of salts, keeping the initial pH, the obtained freeze-dried aerogels in alumina molds at -80 °C have a thermal conductivity of 0.024 W/m.K. In order to reduce the pore size and to improve the thermal insulating properties by Knudsen effect, a new drying technique was proposed: the spray freeze-drying. Aerogels prepared in the same experimental conditions with this technique have thermal super-insulating properties (0.018 W/m.K) thanks to the nanostructuration of the porous network. Finally, a new device was designed to characterize more precisely the thermal properties of aerogels. This is an impulsive transient device, which can estimate simultaneously the contribution of solid and gas conduction, the radiative effect and thermal diffusivity using a simple theoretical model. This device will allow studying complex heat transfer through porous semi-transparent materials such as aerogels

Les matériaux carbonés présentent de nombreux avantages pour les domaines des nanotechnologies et de l'environnement.La mixité de chiralité des nanotubes de carbone limite leur application dans les appareils électroniques et le nano-confinement. Dans une première partie, ce travail de thèse s'est concentré sur la séparation en chiralité de nanotubes de carbone de type CoMoCAT, afin d'élaborer de nouveaux nano-conteneurs.Après sélection en chiralité, nous avons évalué les propriétés sous hautes pressions des fagots de nanotubes sélectionnés, et leur interaction avec l'eau. Les résultats ont montré que les fagots supportent des pressions jusqu'à 17 GPa, avant de subir un effondrement radial réversible, permettant de les utiliser en tant que nano-enclumes.L'élaboration d'une éponge de carbone (super)hydrophobe pour le traitement des eaux après pollution aux hydrocarbures a été décrite dans une seconde partie. La pyrolyse de mousses polymères a permis de conserver la très grande porosité de la mousse (> 99%), tout en lui conférant des propriétés proches de la superhydrophobie et de grandes capacités d'absorption de pétrole et solvants organiques (85-200 g/g). L'élasticité du matériau permet sa régénération par simple compression mécanique : récupération du polluant et réutilisation de l'absorbant. De plus, cette caractéristique reste valable même après une centaine de cycles de compression-décompression, en conservant 81% de sa capacité d'absorption dans le cas du pétrole brut / Carbon materials present many advantages for the nanotechnology and environment fields. The chirality mixity of carbon nanotubes limits their application in electronic devices and the nano-confinement. In the first part, this thesis has focused on the chirality separation of CoMoCAT carbon nanotubes, in order to elaborate new nano-containers.After the chirality selection, the properties of selected nanotubes bundles under high pressure were evaluated, as well as their interaction with water. The results show that the bundles support pressures until 17 GPa, before to undergo a reversible collapse, allowing their application as nano-anvils.The (super)hydrophobic carbon sponge elaboration for the clean-up of water polluted by oils was described in the second part. The polymeric foams pyrolysis allows to keep the very high foam porosity (> 99%), to give properties next to the superhydrophobicity and large absorption capacities in oils and organic solvents (85-200 g/g). The material elasticity allows its regeneration by simple mechanical compression : recovery of pollutant and re-use of the absorbant. Moreover, this feature remains valid after a hundred compression-decompression cycles, with 81% of the initial crude oil absorption capacity

Single-molecule localisation microscopy (SMLM) allows imaging of fluorescently-tagged proteins in live cells with a precision well below that of the diffraction limit. As a single-molecule technique, it has also introduced a new quantitative approach to fluorescence microscopy. In the Part A of this thesis, the design and building of three SMLM instruments, the implementation of a custom-developed image analysis package and the characterisation of the photo-physical properties of the photo-activable fluorescent protein used in this thesis (mEos), are discussed. Then, a new post-processing method for SMLM analysis is characterised: axial optical sectioning of SMLM images is demonstrated by thresholding fitted localisations using their fitted width and amplitude to reject fluorophores that emit from above or below a virtual ?light-sheet?, a thin volume centred on the focal plane of the microscope. This method provides qualitative and quantitative improvements to SMLM. In the Part B of this thesis, SMLM is applied to study T cell activation. Although the T cell receptor plays a key role in immunity, its stoichiometry in the membrane of resting T cells is still a matter of debate. Here, single-molecule counting methods are implemented to compare the stoichiometry of TCRs fused with mEos2 in resting T cells to monomeric and dimeric controls. However, because of the stochasticity of mEos2 photo-physics, results are inconclusive and new counting techniques based on structural imaging are discussed. In addition to TCR triggering, T cells require the co-stimulatory triggering of the CD28 transmembrane receptor to become fully activated. However, some immobilised anti-CD28 antibodies, referred to as super-agonists (SA), can directly activate T cells without triggering the TCR. In this thesis, single-molecule tracking techniques are used to investigate the molecular mechanism of CD28 super-agonism in live T cells. The results indicate that the diffusion of CD28 is slowed by SA binding. This effect is further discussed in light of the kinetic-segregation model proposed for TCR triggering. Quantitative SMLM as implemented and further developed in this work offers new tools to investigate the molecular mechanisms initiating T cell activation, ultimately facilitating the discovery of novel approaches to target these pathways for therapeutic purposes.

Les opérateurs de télécommunications se doivent de maîtriser et d'évaluer la qualité des services qu'ils offrent à leurs clients, dans un contexte en perpétuelle évolution. Comme alternative rapide et à moindre coût aux évaluations fondées sur l'interrogation d'utilisateurs, des outils de mesure ont été développés, qui intègrent des modèles permettant de prédire la qualité perçue. Cette thèse avait pour but de concevoir un outil de diagnostic de qualité vocale (applicable aux services de téléphonie), complémentaire à de tels modèles objectifs, afin d'obtenir des informations spécifiques sur la nature des défauts présents sur le signal audio et d'orienter vers des causes potentielles de ces défauts. En partant de l'hypothèse que la qualité vocale est multidimensionnelle, nous avons fondé l'outil de diagnostic sur la modélisation des quatre dimensions identifiées dans la littérature : la Bruyance, représentative des bruits de fond, la Continuité, relative à la perception des discontinuités dans le signal, la Coloration, liée aux distorsions du spectre de la voix, et la Sonie, traduisant la perception du niveau sonore. Chacune de ces dimensions est quantifiée à l'aide d'indicateurs de qualité issus de l'analyse du signal audio. Notre démarche a consisté, dans un premier temps, à rechercher dans des modèles objectifs récents (notamment la norme P.863 de l'UIT-T) des indicateurs de qualité et à en développer d'autres pour caractériser parfaitement chaque dimension. S'est ensuivie une étude de performances de ces indicateurs, les plus pertinents devant être intégrés dans notre outil de diagnostic. Finalement, pour chaque dimension, nous avons développé un module de classification automatique de défauts perçus en fonction de la nature du défaut identifié dans le signal, ainsi qu'un module supplémentaire estimant l'impact du défaut sur la qualité vocale. L'outil proposé couvre les trois bandes audio (bande étroite, bande élargie et bande super-élargie) couramment utilisées dans les systèmes de télécommunications avec, toutefois, une priorité pour les signaux en bande super-élargie, plus représentatifs des contenus audio qu'on sera amené à rencontrer dans les futurs services de télécommunications. / Quality of service is a huge issue for telecommunications operators since they have to master and evaluate it in order to satisfy their customers. To replace expensive and time-consuming human judgment methods, objective methods, integrating objective models providing a prediction of the perceived quality, have been conceived. Our research aimed at developing a technical diagnostic method, complementary to objective voice quality models, which provides specific information about the nature of the perceived voice quality impairments and identifies the underlying technical causes. Assuming that speech quality is a multidimensional phenomenon, our technical diagnostic method is built on the modelling of the four perceptual dimensions identified in the literature: “Noisiness” relative to the perceived background noise, “Continuity” linked to discontinuity, “Coloration” related to frequency–response degradations and “Loudness” corresponding to the impact of the speech level, each one being quantified by quality degradation indicators based on audio signal analysis. A crucial step of our research was to find and/or to develop relevant quality degradation indicators to perfectly characterize each dimension. To do so, we identified quality degradation indicators in the most recent objective voice quality models (particularly the ITU-T P.863 recommendation, known as POLQA) and we analysed the performance of identified indicators. Then, the most relevant indicators have been considered in our diagnostic method. Finally, for each dimension, we proposed a detection block which automatically classifies a perceived degradation according to the nature of the defect detected in the audio signal, and an additional block providing information about the impact of degradations on speech quality. The proposed technical diagnostic method is designed to cover three bandwidths (Narrowband, Wideband and Super Wideband) used in telecommunications systems with a priority investigation to Super Wideband speech signals which remain very useful for future telephony applications.

La thèse explore trois questions méthodologiques en imagerie de diffusion (DTI) clinique du cerveau, dans le contexte d’une étude sur le VIH. La première question est comment améliorer la résolution du DTI. Le deuxième problème est comment créer un atlas multimodal spécifique à la population. La troisième question porte sur le calcul des statistiques pour comparer les zones de matière blanche entre les contrôles et patients. Les DTI cliniques ont une résolution spatiale et un rapport signal sur bruit faibles, ce qui rend difficile le calcul de statistiques significatives. Nous proposons un algorithme de super-résolution pour améliorer la résolution qui utilise un a priori spatial anisotrope. Cette méthode démontre une amélioration de l’anisotropie fractionnelle et de la tractographie. Pour normaliser spatialement les images du cerveau dans un système de coordonnées commun, nous proposons ensuite de construire un atlas multimodal spécifique á la population. Ceci permet de créer un atlas probabiliste de la matière blanche qui est consistant avec l’atlas anatomique. Cet atlas peut être utilisé pour des statistiques basées sur des régions d’intérêt ou pour le raffinement d’une segmentation. Enfin, nous améliorons les résultats de la méthode TBSS (Tract-Based Spatial Statistics) en utilisant le recalage des images DTI. Contrairement á la méthode TBSS traditionnelle, nous utilisons ici des statistiques multivariées. Nous montrons que ceci permet de détecter des différences dans les régions de matière blanche qui étaient non significatives auparavant, et de les corréler avec les scores des tests neuropsychologiques. / The thesis explores three major methodological questions in clinical brain DTI, in the context of a clinical study on HIV. The first question is how to improve the DTI resolution. The second problem addressed in the thesis is how to create a multimodal population specific atlas. The third question is on the computation of statistics to compare white matter (WM) regions among controls and HIV patients. Clinical DTIs have low spatial resolution and signal-to-noise ratio making it difficult to compute meaningful statistics. We propose a super-resolution (SRR) algorithm for improving DTI resolution. The SRR is achieved using anisotropic regularization prior. This method demonstrates improved fractional anisotropy and tractography. In order to spatially normalize all images in a consistent coordinate system, we create a multimodal population specific brain atlas using the T1 and DTI images from a HIV dataset. We also transfer WM labels from an existing white matter parcellation map to create probabilistic WM atlas. This atlas can be used for region of interest based statistics and refining manual segmentation. On the statistical analysis side, we improve the existing tract based spatial statistics (TBSS) by using DTI based registration for spatial normalization. Contrary to traditional TBSS routines, we use multivariate statistics for detecting changes in WM tracts. With the improved method it is possible to detect differences in WM regions and correlate it with the neuropschylogical test scores of the subjects.