L'approche Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) est une méthode de calcul pour simuler des écoulements fluides avec une méthode Lagrangienne de type suivi de particules. A l'inverse des méthodes Euleriennes, ce type d'approche ne nécessite pas de maillage. C'est là l'un des atouts majeurs de l'approche SPH puisqu'elle permet de s'affranchir des méthodes de suivi d'interfaces couramment utilisées dans les approches Euléeriennes (par exemple Volume-of-Fluid, Level-Set ou Front-Tracking). L'approche SPH est donc de plus en plus utilisée dans les domaines de l'hydro-ingénierie et de la géophysique notamment de part le traitement naturel des écoulements à surface libre dans la méthode SPH. Cependant, l'approche SPH n'est utilisée que depuis peu pour simuler des écoulements multiphasiques complexes et de nombreux problèmes restent en suspens, notamment concernant une formulation adéquate ou le micro-mélange aux interfaces. L'un des principaux enjeux de ces travaux de thèse est d'analyser de façon objective les différentes approches de type SPH existantes et d'évaluer leur capacité à simuler des écoulements multiphasiques complexes. Ainsi, la modélisation des phénomènes liés à la tension de surface a été réalisée et validée via l'utilisation de techniques de type Continuum Surface Force. Les phénomènes de convection naturelle ont quant à eux été modélisés grâce à une nouvelle formulation plus générale (non-Boussinesq). Une partie de ces travaux est dédiée à l'étude des problèmes de micro-mélange aux interfaces: les effets indésirables (notamment la fragmentation de l'interface) sont analysés et des solutions sont proposées. Une autre part de travail porte sur la modélisation des mouvements ascendants de bulles dans des liquides, avec l'inclusion des interactions entre bulles. Des simulations SPH ont été réalisées pour différents régimes d'écoulement, chacun d'eux correspondant à un ratio spécifique entre la tension de surface, la viscosité et la flottabilité. Les prédictions numériques de la topographie des bulles, de leur vitesse ainsi que de leur coefficient de trainée ont été validées. Pour ce faire, les résultats numériques ont été comparés non seulement aux données expérimentales de référence mais également à d'autres simulations numériques de bulles ascendantes. Dans ces travaux de thèse, une étude détaillée des concepts liés aux contraintes d'incompressibilité a été réalisée. Dans cet objectif, deux traitements différents ont été comparés: l'approche faiblement compressible (où une équation d'état adéquate est choisie) et l'approche incompressible (où une projection des champs de vitesse sur un espace sans divergence est réalisée de deux facons différentes). La pertinence de ces modèles pour des simulations d'écoulements multiphasiques est également évaluée. Les problèmes associés aux paramètres numériques sont discutés et un choix approprié de ces paramètres est proposé. Pour ce faire, de nombreux calculs de validation en deux et trois dimensions ont été réalisés. Enfin, une extension est proposée pour simuler les phénomènes liés à l'ébullition via une approche SPH. Ce sujet étant encore en friche, de nouvelles idées et schémas sont proposés pour le changement de phase liquide-vapeur dans l'approche SPH / Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is a fully Lagrangian, particle based approach for fluid-flow simulations. One of its advantages over Eulerian techniques is no need of a numerical grid. Therefore, there is no necessity to handle the interface shape as it is done in Volume-of-Fluid, Lavel-Set or Front-Tracking methods. Thus, the SPH approach is increasingly used for hydro-engineering and geophysical applications involving free-surface flows where the natural treatment of evolving interfaces makes it an attractive method. However, for real-life multi-phase simulations this method has only started to be considered and many problems like a proper formulation or a spurious fragmentation of the interface remain to be solved. One of the aims of this work is to critically analyse the existing SPH variants and assess their suitability for complex multi-phase problems. For modelling the surface-tension phenomena the Continuum Surface Force (CSF) methods are validated and used. The natural convection phenomena are modeled using a new, more general formulation, beyond the Boussinesq approximation. A substantial part of the work is devoted to the problem of a spurious fragmentation of the interface (the micro-mixing of SPH particles). Its negative effects and possible remedies are extensively discussed and a new variant is proposed. Contrary to general opinion, it is proven that the micro-mixing is not only the problem of flows with neglegible surface tension. A significant part of this work is devoted to the modelling of bubbles rising through liquids, including bubble-bubble interactions. The SPH simulations were performed for several flow regimes corresponding to different relative importance of surface tension, viscosity and buoyancy effects. The predicted topological changes, bubble terminal velocity and drag coefficients were validated with respect to reference experimental data and compared to other numerical methods. In the work, fundamental concepts of assuring the incompressibility constraint in SPH are also recalled. An important part of work is a thorough comparison of two different incompressibility treatments: the weakly compressible approach, where a suitably chosen equation of state is used, and truly incompressible method (in two basic variants), where the velocity field is projected onto a divergence-free space. Their usefulness for multi-phase modelling is discussed. Problems associated with the numerical setup are investigated, and an optimal choice of the computational parameters is proposed and verified. For these purposes the study is supported by many two- and three-dimensional validation cases. In addition, the present work opens new perspectives to future simulations of boiling phenomena using the SPH method. First ideas and sketches for the implementation of the liquid-vapour phase change are presented

Nous présentons ici un résumé de nos travaux sur l'utilisation de nanocristaux semiconducteurs comme sondes fluorescentes pour l'optique et la biologie.

Le manuscrit de thèse se propose de concilier les points de vue développés par les théories microscopiques et la théorie hydrodynamique sur la diffusion. Nous testons les hypothèses hydrodynamiques et tentons d'obtenir une reformulation de celles-ci à partir d'arguments microscopiques. En particulier, pour un fluide laminaire visqueux, la force exercée sur une particule sphérique ou encore le champ de vitesse autour d'une particule sphérique en mouvement, respectivement décrits par la force de Basset-Boussinesq et la solution de Stokes, seront l'objet de notre investigation. Leurs formes sont-elles pertinentes à l'échelle microscopique ? Si oui, comment peut-on les exprimer à l'échelle moléculaire ? Pour ce faire, nous avons réalisé des simulations moléculaires et basé notre développement à l'aide de la théorie de Mori-Zwanzig. Dans un premier temps, nous étudions l'évolution des fluctuations de la particule afin d'interpréter le comportement aux temps longs et réalisons le lien avec l'inertie, la diffusion et l'hydrodynamique. Puis nous proposons une nouvelle approche pour extraire le flot microscopique de fluides Lennard-Jones ou granulaires afin de le comparer directement aux solutions hydrodynamiques, ce qui nous permet d'étudier les conditions aux bords. Nous avons pu développer une expression analytique pour les conditions aux bords du flot où les fluctuations jouent un rôle clef. A l'aide des outils d'analyse développés, nous pouvons aussi investiguer le couplage entre le mouvement translationnel et rotationnel. Enfin nous étendons notre analyse à des systèmes tels que les ions aqueux et l'eau surfondue. / This work proposes to reconcile the points of view developed by microscopic theories and hydrodynamics on diffusion. We test the hydrodynamics hypothesis and try reformulate them from microscopic arguments. In particular, for a laminar viscous liquid, the exerced force on a spherical particle or the velocity field around the spherical particle with a prescribed velocity, respectively described by the Basset-Boussinesq force and the Stokes flow, will be the object of our investigation. Is their form relevant at microscopic scale ? If so, how can we express them at the molecular scale ? To do so, we realized molecular simulations and based our developement thanks to the Mori-Zwanzig theory which gives us exact microscopic relations. Initally, we study the evolution of fluctuations of the particle in order to interpret the behaviour at long times and link it with inertia, diffusion and hydrodynamics. Then we propose a novel approch to extract the microscopic flow of Lennard-Jones or granular fluids in order to compare it directly with the hydrodynamic solutions, which allows us to study boundary conditions. We were able to develop an analytical expression for boundary conditions of the flow where fluctuations play a key role. Thanks to our developed analysis tools, we also investigate the coupling between the translational and rotational movement. Finally, we extend our investigation to more realistic fluids such as aqueous solutions and water.

Les boîtes quantiques (ou Quantum Dots en anglais - QD) sont une nouvelle génération de sondes polyvalentes pour la biologie, en particulier pour l’imagerie. Pour des applications de marquage des voies intra-cellulaires, les QDs peuvent être conjugués à des biomolécules telles que des acides nucléiques ou des protéines. En partant des travaux du LPEM portant sur le développement de ligands permettant la dispersion des QDs dans l’eau et leur fonctionnalisation, une nouvelle méthode de conjugaison de l'ADN sur les QDs a été développée dans cette thèse. Cette méthode utilise les motifs présents sur les polymères des QDs pour le greffage d'ADN. Les paramètres affectant cette réaction ont été étudiés et cette stratégie de couplage a été étendue à d'autres nanoparticules et biomolécules. En partant de ces QDs-ADN, des protéines modifiées ADN ont pu être attachées aux QDs en utilisant le principe d’hybridation de l’ADN. Les propriétés des conjugués ainsi générés ont été mises en évidence en utilisant la Transferrine (QD-ADN-Tf) et ces complexes ont été étudiés in vitro et in cellulo. Ces conjugués ont ensuite été utilisés pour le suivi de la dynamique des endosomes, exploitant ainsi pleinement le potentiel des QDs pour l’imagerie directe. Dans la dernière partie, des études supplémentaires sur les facteurs influençant la «performance biologique» des QDs ont été réalisées. Pour cela, une large gamme de ligands polymères développée par le groupe a été utilisée pour sonder l'interaction de la surface des QDs avec l'interface biologique. Des expériences biochimiques et cellulaires ont permis de démontrer que les QDs revêtus de divers polymères ont des comportements différents. / Quantum dots (QD) are new generation of versatile probes for biology, particularly for bioimaging. For specific applications, QDs are conjugated to biomolecules such as nucleic acid or proteins and subsequently targeted to unique intra-cellular pathways. Building upon the state-of-the-art ligands for water-dispersible QDs developed by the lab, a novel and highly generalizable method to conjugate DNA to QD is developed in this thesis. This method employs thiols present on polymers on QDs for conjugation to maleimide-functionalized DNA. Extensive characterization of parameters affecting this reaction is carried out and the strategy is extended to other nanoparticles and biomolecules. Following this, a novel method to conjugate proteins to QD via DNA hybridization is discussed. Using a model protein Transferrin (Tf), the unique properties of thus generated QD-DNA-Tf conjugates are studied in-vitro and in-cellulo. These conjugates are subsequently used for tracking endosomal dynamics for up-to 20 minutes, exploiting the fullest potential of QDs for live imaging. In the last part, additional studies on factors affecting the ‘biological performance’ of QDs are carried out. Using a range of highly adaptable polymeric ligands developed by the group, interactions of surface-modified QDs with the biological interface are probed. Systematic biochemical and cellular experiments demonstrate that QDs coated with zwitterionic polymers have superior antifouling properties compared to poly(ethylene glycol)-based polymers and stability in diverse biological contexts.

Alors que les synapses sont des structures relativement stables, les éléments qui la composent sont, eux, en permanent échange dans le temps et dans l'espace. Les composants des densités postsynaptiques sont renouvelés avec des cinétiques caractéristiques de chaque molécule et de chaque sous compartiment synaptique. La compatibilité entre le comportement dynamique des composants de la synapse et son maintien structural et fonctionnel à long terme implique une conception de ces assemblages multimoléculaires en équilibre dynamique. De nombreux paramètres peuvent influencer la dynamique des récepteurs aux neurotransmetteurs (RNT) dans les synapses, y compris l'activité synaptique et les protéines de la matrice extracellulaire. Cependant, le rôle des cellules gliales dans ce mécanisme est inconnu. Mon travail de thèse a porté sur l'exploration d'une possible contribution de la microglie, les cellules immunitaires du système nerveux central, à la stabilité des RNT et à l'efficacité des synapses inhibitrices de la moelle épinière. Mon travail de thèse démontre pour la première fois comment et en quoi la microglie est un partenaire clé de l'équilibre dynamique qui régit la structure et la fonction de la synapse inhibitrice dans la moelle. Par conséquent, il donne un éclairage nouveau sur la façon de concevoir l'efficacité synaptique et sa régulation de façon non neurone autonome. / Whereas synapses are relatively stable structures, their molecular constituents are continuously recycled and exchanged in time and space. Each of the molecules that contribute to build synaptic structures is renewed with specific kinetics, depending on their organisation in the postsynaptic densities. The compatibility between a dynamic behaviour and a long-term maintenance of synapses implies to think synapses as multi-molecular assemblies in a dynamic equilibrium. Several parameters can influence the dynamics of receptors to neurotransmitters(RNT) at synaptic sites, including neuronal activity and extracellular matrix proteins. However,the role of glial cells in this mechanism is unknown. During my thesis work, I explored the roleof microglia, the resident immune cells of the central nervous system, on the lateral diffusion ofRNT and synaptic efficacy at spinal cord inhibitory postsynaptic densities. My work demonstrates for the first time a partnership between microglia and synapses. It shows that immune cells can take part to the regulation of synaptic strength very rapidly but also at basal state, by regulating RNT dynamics. Furthermore it identifies microglia as a key partner for a heterocellular stabilization of synaptic receptors. This work raises the intriguing possibility that the general regulation of network activity may also be explained by a fine modulation of receptors stability at the synapse controlled by microglia.

L'objet de cette thèse est l'étude quantitative du mouvement des particules intracellulaires, comme les protéines ou les molécules. L'estimation du mouvement des particules au sein de la cellule est en effet d'un intérêt majeur en biologie cellulaire puisqu'il permet de comprendre les interactions entre les différents composants de la cellule. Dans cette thèse, nous modélisons les trajectoires des particules avec des processus stochastiques puisque le milieu intra-cellulaire est soumis à de nombreux aléas. Les diffusions, des processus à trajectoires continues, permettent de modéliser un large panel de mouvements intra-cellulaires. Les biophysiciens distinguent trois principaux types de diffusion: le mouvement brownien, la super-diffusion et la sous-diffusion. Ces différents types de mouvement correspondent à des scénarios biologiques distincts. Le déplacement d'une particule évoluant sans contrainte dans le cytosol ou dans le plasma membranaire est modélisée par un mouvement brownien; la particule ne se déplace pas dans une direction précise et atteint sa destination en un temps long en moyenne. Les particules peuvent aussi être propulsées par des moteurs moléculaires le long des microtubules et filaments d'actine du cytosquelette de la cellule. Leur mouvement est alors modélisé par des super-diffusions. Enfin, la sous-diffusion peut être observée dans deux situations: i/ lorsque la particule est confinée dans un micro domaine, ii/ lorsqu’elle est ralentie par l'encombrement moléculaire et doit se frayer un chemin parmi des obstacles mobiles ou immobiles. Nous présentons un test statistique pour effectuer la classification des trajectoires en trois groupes: brownien, super-diffusif et sous-diffusif. Nous développons également un algorithme pour détecter les ruptures de mouvement le long d’une trajectoire. Nous définissons les temps de rupture comme les instants où la particule change de régime de diffusion (brownien, sous-diffusif ou super-diffusif). Enfin, nous associons une méthode de regroupement avec notre procédure de test pour identifier les micro domaines dans lesquels des particules sont confinées. De telles zones correspondent à des lieux d’interactions moléculaires dans la cellule. / In this thesis, we are interested in quantifying the dynamics of intracellular particles, as proteins or molecules, inside living cells. In fact, inference on the modes of mobility of molecules is central in cell biology since it reflects the interactions between the structures of the cell. We model the particle trajectories with stochastic processes as the interior of a living cell is a fluctuating environment. Diffusions are stochastic processes with continuous paths and can model a large range of intracellular movements. Biophysicists distinguish three main types of diffusions, namely Brownian motion, superdiffusion and subdiffusion. These different diffusion processes correspond to distinct biological scenarios. A particle evolving freely inside the cytosol or along the plasma membrane is modelled by Brownian motion; the particle does not travel along any particular direction and can take a very long time to go to a precise area in the cell. Active intracellular transport can overcome this difficulty so that motion is faster and direct specific. In this case, particles are carried by molecular motors along microtubular filament networks and their motion is modelled with superdiffusions. Subdiffusion can be observed in two cases i/ when the particle is confined in a microdomain, ii/ when the particle is hindered by molecular crowding and encounters dynamic or fixed obstacles. We develop a statistical test for classifying the observed trajectories into the three groups of diffusion of interest namely Brownian motion, super-diffusion and subdiffusion. We also design an algorithm to detect the changes of dynamics along a single trajectory. We define the change points as the times at which the particle switches from one diffusion type (Brownian motion, superdiffusion or subdiffusion) to another. Finally, we combine a clustering algorithm with our test procedure to identify micro domains that is zones where the particles are confined. Molecular interactions of great importance for the functioning of the cell take place in such areas.

Au sein des synapses comme dans les régions extra synaptiques, la diffusion latérale joue un rôle critique dans la densité membranaire des récepteurs. En face des zones actives, l’accumulation de récepteurs détermine en particulier l’efficacité de la transmission synaptique. Il est important de comprendre les paramètres cellulaires qui jouent sur l’accès au compartiment synaptique, qu’ils soient d’origine moléculaires ou morphologiques. Dans les synapses excitatrices, la tige de l’épine dendritique se comporte comme une barrière à la diffusion. Cette barrière pourrait être fonction de la longueur et du diamètre de la tige (paramètre géométrique), ou résider dans la présence d’éléments spécifiques constituant des obstacles à la diffusion. Une sous-population d’épines contient dans sa tige une forme spécialisée de réticulum endoplasmique, appelé appareil épineux et constituée d’un empilement des accules de réticulum. Une protéine liant l’actine, nommée synaptopodine, est associée de façon étroite à l’appareil épineux et participe aux mécanismes de plasticité synaptique. La question centrale de ce travail de thèse était de définir si la présence de synaptopodine influait sur les caractéristiques de la diffusion dans la tige de l’épine, et d’identifier les mécanismes sous-jacents. Afin d’étudier la diffusion membranaire, j’ai utilisé trois protéines recombinantes différentes: une protéine associée au feuillet extérieur de la membrane plasmique (GFP-GPI), une protéine avec un domaine transmembranaire et une courte séquence intracellulaire (TMD-pHluorin), et la sous-unitéGluR5 du récepteur métabotropique (mGluR5) contenant 7 domaines transmembranaires et une séquence intracellulaire volumineuse. Les trois constructions portent une étiquette (GFP ou pHluorin) du côté extracellulaire. Les propriétés diffusives de ces molécules ont été mesurées par un suivi de particules uniques, à base de quantum dots. Ces expériences ont révélé que la diffusion des protéines membranaires est fonction du diamètre de la structure cylindrique considérée, et par conséquent moins rapide dans la tige de l’épine que dans le tronc du dendrite. Mais les propritétés diffusives dépendent aussi de la taille et delà complexité des molécules membranaires considérées. En effet, la diffusion de molécules comportant des domaines transmembranaires est particulièrement faible dans les tiges contenant de la synaptopodine. Cet aspect a été approfondi par l’utilisation de traitements pharmacologiques, qui ont permis de modifier la structure interne de la tige dendritique. Les variations des tailles des domainesoccupés par l’actine-F, et par lesaggrégats de synaptopodine, ont été observées à l’échelle nanoscopique en utilisant l’imagerie PALM/STORM. En conditions contrôle, la synaptopodine occupe la partie centrale de la tige. La dépolymérisation indirecte de l’actine-F par le 4-Aminopyridineentraîne une diminution des zones occupées par ces deux composants, corrélée à une augmentation de la vitesse de diffusion de mGluR5. En revanche, la dépolymérisation par la latrunculin-A (effet direct sur l’actine) induit une augmentation de la taille des clusters de synaptopodine et donc de la surface occupée par ceux-ci dans la tige. Les mesures de la diffusion de la sous-unité mGluR5 réalisées dans ces conditions montrent une accélération de la vitesse de diffusion, indiquant que la mobilité de mGluR5 n’est pas régulée par une interaction directe avec la synaptopodine. En conclusion, je propose un rôle de stabilisation mutuel pourl’actine-F et la synaptopodinedans la tige des épines dendritiques de neurones d’hippocampe en culture. Les épines contenant de la synaptopodine dans leur tige auraient une organisation unique du cytosquelette qui agirait comme une barrière additionnelle pour la diffusion de récepteurs aux neurotransmetteurs. / Lateral diffusion in and outside synapses plays a key role in the accumulation of receptors at synapses, which critically determines the efficacy of synaptic neurotransmission. Therefore, to better understand the trapping of neurotransmitter receptors in synapses, it is important to investigate the mechanisms that may affect receptors diffusion and their capacity to reach synapses. The neck of dendritic spine imposes a diffusional barrier that is considered to depend on the length and diameter of the spine neck. The origin of this barrier could be purely geometrical or could be induced by the presence of specific barriers/obstacles for diffusion. A subpopulation of spines contains a specialized form of endoplasmic reticulum in the spine neck called spine apparatus. The actin-binding protein synaptopodin (SP) is tightly associated with the spine apparatus and participates in synaptic plasticity mechanisms. The central question of my research was to assess whether the presence of the SP affects the diffusion of receptors in the spine neck and to characterize the underlying molecular mechanisms. To study membrane diffusion, I have developed three different probes: a construct associated with the outer leaflet of the plasma membrane (GFP-GPI), a construct with one transmembrane domain and a short intracellular sequence (TMD-pHluorin), and a recombinant metabotropic mGluR5 receptor construct containing an extracellular domain tagged with pHluorin, seven transmembrane domains, as well as a large intracellular region. The diffusion properties of these molecules were measured by single particle tracking using quantum dots. My experiments revealed that the diffusion of membrane proteins was slower in the spine neck than in the dendrite as a result of the different diameter of the two compartments. Furthermore, the diffusion properties depended on the molecular size and complexity of the membrane proteins. Interestingly, the diffusion of membrane proteins with transmembrane domains was particular slow in spine necks containing SP. This could be the result of direct molecular interactions between the membrane proteins and SP or due to spatial constraints that are related to the structural organization of spine necks expressing SP. To address these questions further I used pharmacological treatments to change the internal organization of the spine neck, and measured their effect on the diffusion properties of mGluR5. The distribution of SP and F-actin in the spine neck was determined on the nanoscopic scale using PALM/STORM imaging. This showed that under control condition SP occupies only the central region of the spine neck. Activity-dependent depolymerization of F-actin by 4-Aminopyridine led to a simultaneous decrease of the amount of F-actin and SP and enhanced the diffusion of mGluR5 in all analyzed neck regions. Disruption of F-actin by latrunculin A induced the re-distribution of SP and the formation of larger SP clusters, occupying an increased region within the spine neck. The recruitment of SP was accompanied by an acceleration of mGluR5 diffusion in SP-positive spines, demonstrating that the mobility of mGluR5 is not controlled by direct interactions with SP. Instead, the diffusion of mGluR5 is dependent on the organization of the spine cytoskeleton. In conclusion, I propose that SP and the polymerization of actin filaments have a reciprocal effect on the stability of each other in the spine neck of cultured hippocampal neurons. Spine necks bearing SP have a unique F-actin cytoskeletal organization that acts as an additional diffusion barrier for neurotransmitter receptors such as mGluR5.

La plupart des simulations interactives ont besoin d'un modèle de détection de collisions. Cette détection nécessite d'une part d'effectuer des requêtes de proximité entre les entités concernées et d'autre part de calculer un comportement à appliquer. Afin d'effectuer ces requêtes, les entités présentes dans une scène sont soit hiérarchisées dans un arbre ou dans un graphe de proximité, soit plongées dans une grille d'enregistrement. Nous présentons un nouveau modèle de détection de collisions s'appuyant sur deux piliers : une représentation de l'environnement par des cartes combinatoires multirésolutions et un suivi en temps réel de particules plongées dans ces cartes. Ce modèle nous permet de représenter des environnements complexes tout en suivant en temps réel les entités évoluant dans cet environnement. Nous présentons des outils d'enregistrement et de maintien de l'enregistrement de particules, d'arêtes et de surfaces dans des cartes combinatoires volumiques multirésolutions. / Most interactive simulations need a collision detection system. First, this system requires the querying of the proximity between the objects and then the computing of the behaviour to be applied. In order to perform these queries, the objects present in a scene are either classified in a tree, in a proximity graph, or embedded inside a registration grid.Our work present a new collision detection model based on two main concepts: representing the environment with a combinatorial multiresolution map, and tracking in real-time particles embedded inside this map. This model allows us to simulate complex environments while following in real-time the entities that are evolving within it.We present our framework used to register and update the registration of particles, edges and surfaces in volumetric combinatorial multiresolution maps. Results have been validated first in 2D with a crowd simulation application and then in 3D, in the medical field, with a percutaneous surgery simulation.

Le suivi de particules est une méthode de choix pour comprendre les mécanismes intra-cellulaires car il fournit des moyens robustes et précis de caractériser la dynamiques des objets mobiles à l'échelle micro et nano métrique. Cette thèse traite de plusieurs aspects liés au problème du suivi de plusieurs centaines de particules dans des conditions bruitées. Nous présentons des techniques nouvelles basée sur des méthodes mathématiques robustes qui nous permettent des suivre des particules sous-résolutives dans les conditions variées qui sont rencontrées en imagerie cellulaire. Détection de particules : nous avons tout d'abord traité le problème de la détection de particules dans les images fluorescentes contenant un fond structuré. L'idée clé de la méthode est l'utilisation d'une technique de séparation de sources : l'algorithme d'Analyse en Composantes Morphologiques (ACM), pour séparer le fond des particules en exploitant leur différence de morphologie dans les images. Nous avons effectué un certain nombre de modifications à l'ACM pour l'adapter aux caractéristiques des images biologiques en fluorescence. Par exemple, nous avons proposé l'utilisation du dictionnaire de Curvelet et d'un dictionnaire de d'ondelettes, avec des à priori de parcimonie différents, afin de séparer le signal des particules du fond. Une fois la séparation de sources effectuée, l'image sans fond peut être analysée pour identifier de manière robuste la position des particules et pour les suivre au cours du temps. Modélisation du problème de suivi : nous avons proposé un cadre de travail statistique global qui tient compte des nombreux aspects du problème de suivi de particules dans des conditions bruitées. Le cadre de travail probabiliste que nous avons mis au point contient de nombreux modèles qui sont dédiés à l'imagerie biologique, tels que des modèles statistiques de mouvement des particules en milieu cellulaire. Nous avons aussi défini la concept de perceiability d'une cible dans le cas des particules biologiques. Grâce à ce modèle l'existence d'une particule est explicitement modélisée et quantifiée, ce qui nous permet de résoudre les problèmes de création et de terminaison des trajectoires au sein même de notre cadre probabiliste de suivi. Le cadre de travail proposé bénéficie d'une grande flexibilité mais reste facile à adapter car chaque paramètre du modèle trouve une interprétation simple et intuitive. Ainsi, notre modèle probabiliste de suivi nous a permis de modéliser de manière exhaustive un grand nombre de systèmes biologiques différents. Mise au point d'un algorithme de suivi : nous avons reformulé l'algorithme de suivi nommé Multiple Hypothesis Tracking (MHT) pour qu'il inclue notre modèle probabiliste de suivi dédié aux particules biologiques, et nous avons proposé une implémentation rapide qui permet de suivre de nombreuses particules dans des conditions d'imagerie dégradées. L'\textit{Enhanced} MHT (E-MHT) que nous avons proposé tire pleinement partie du modèle de suivi en incorporant la connaissance des images futures, ce qui augmente significativement le pouvoir discriminant des critères statistiques. En conséquence, l'E-MHT est capable d'identifier automatiquement les détections erronée et de détecter les événements d'apparition et de disparition des particules. Nous avons résolu le problème de la complexité de la tache de suivi grâce à un design de l'algorithme que exploite la topologie en arbre des solution et à la possibilité d'effectuer les calculs de manière parallèle. Une série de tests comparatifs entre l'E-MHT et des méthodes existantes de suivi a été réalisée avec des séquences d'images synthétiques 2D et avec des jeux de données réels 2D et 3D. Dans chaque cas l'E-MHT a montré des performances supérieures par rapport aux méthodes standards, avec une capacité remarquable à supporter des conditions d'imagerie très dégradées. Nous avons appliqué les méthodes de suivi proposées dans le cadre de plusieurs projets biologiques, ce qui a conduit à des résultats biologiques originaux. La flexibilité et la robustesse de notre méthode nous a notamment permis de suivre des prions infectant des cellules, de caractériser le transport de protéines lors du développement de l'ovocyte de la drosophile, ainsi que d'étudier la trafic d'ARN messager dans l'ovocyte de drosophile.

Les suspensions concentrées et les verres colloïdaux forment une classe de matériaux intéressante d'un point de vue de la physique mais également des applications. Ces matériaux présentent des comportements rhéologiques remarquables comme la présence d'un seuil d'écoulement, des phénomènes de glissement ou encore des dynamiques de relaxation très lentes et du vieillissement. Les techniques rhéologiques classiques ne permettant pas à elles seules de remonter à l'origine microscopique de ces phénomènes, il est nécessaire de les associer à des techniques permettant de sonder la structure et la dynamique à des échelles très locales. Dans ce travail nous développons et mettons en œuvre une série d'outils complémentaires utilisant la diffusion multiple de la lumière ou la microscopie par fluorescence et nous les appliquons à l'étude de la dynamique de suspensions concentrées de microgels polyélectrolytes au voisinage de l'équilibre, en cours de vieillissement ou en écoulement. Les principaux résultats portent sur la mesure des propriétés viscoélastiques linéaires dans une fenêtre de fréquences comprises entre des temps browniens et plusieurs heures, sur le vieillissement physique, et sur le rôle des parois dans la structuration des écoulements.