Nous nous intéressons ici aux problèmes inverses mal posés ainsi qu'à leur résolution dans un cadre bayésien. Dans un premier temps, nous décrirons la démarche que nous avons suivie lors de la résolution d'un problème inverse mal posé. Elle consiste à déterminer simultanément la paramétrisation de l'objet inconnu, le modèle " simplifié " décrivant le principe de formation des données, le choix du modèle de bruit et le choix de l'information a priori introduite. Ces différents choix sont souvent contraints par le temps de calcul nécessaire pour obtenir l'estimateur. On illustrera la démarche en résolvant des problèmes inverses variés dans le domaine de l'imagerie médicale (réduction des artéfacts métalliques) et de l'astrophysique (reconstruction 3D+T de la couronne solaire et reconstruction sur-résolue du rayonnement infra-rouge de l'univers). Dans deuxième temps, nous développerons un aspect plus méthodologique. En effet, nous avons constaté que les approches entièrement bayésiennes étaient difficilement applicables à des problèmes de grandes dimensions (plus d'un million d'inconnues) pour des raisons de coût calculatoire. Nous avons donc mis au point une nouvelle approche bayésienne variationnelle permettant de s'affranchir de ce problème. Pour obtenir notre algorithme, nous avons résolu un problème d'optimisation fonctionnelle dans l'espace des mesures à densité. Puis, nous avons appliqué notre approche sur l'inversion de problèmes linéaires de grandes tailles.

La lithosphère continentale est physiquement et chimiquement segmentée. La cartographie des isotopes radiogéniques de roches plutoniques acides, représentatives de la croûte continentale, et de laves basiques, représentatives du manteau, possède des similarités avec la cartographie sismique de la lithosphère sous-jacente. Ces similitudes permettent d'interpréter les observations sismiques en étudiant leurs caractéristiques chimiques et leur âge. Les isotopes du plomb permettent de dater et d'identifier l'empilement de segments crustaux qui forment la croûte. L'écart des âges modèles du plomb avec d'autres systèmes identifie le recyclage crustal et le réchauffement de la croûte au dessus de la température du système plomb-plomb. Le système plomb-plomb donne également accès au sous-étudié rapport Th/U qui contraint la profondeur de la source des roches continentales. Certains échantillons de l'ouest U.S.A. proviennent de la croute inférieure, et se sont formés par l'extension crustale ou par un flux de matériel au sein de la croûte. Les isotopes du néodyme et de l'hafnium marquent la fusion du manteau lithosphérique enrichis sous le Colorado Plateau, une région où est observée le détachement du manteau lithosphérique sub-continental. Ce manteau fond par décompression adiabatique, par extension localisée ou remontée asthénosphérique engendrée par la convection locale. Au final, l'association des systèmes isotopiques du plomb, du néodyme, et de l'hafnium avec la sismologie est une approche puissante pour étudier la formation et la déformation de la lithosphère continentale.

Abstract : Normal aging is accompanied by several metabolic and structural changes in the brain and a heightened risk of cognitive decline. These brain changes may increase the chances of later developing Alzheimer’s disease. The first major objective of the present work was to quantify, through positron emission tomography (PET) and volumetric magnetic resonance (MR) imaging techniques, the effects of normal aging on brain metabolism and structure. Our results indicate that brain glucose hypometabolism can be present in older individuals who remain cognitively normal. Cognitive status was assessed using age-normalised neuropsychological tests. Brain glucose hypometabolism was quite specific and affected primarily the prefrontal cortex and the caudate nucleus. Due to the high variation in plasma ketones, brain ketone hypometabolism per se was not present in older persons (≥65 years old). However, a lower rate constant for brain ketone uptake was fairly widespread in our healthy older group. Lower regional brain volume during normal aging was widespread throughout the cortex and was more apparent than cortical thickness loss. The second major objective was to characterize brain ketone and glucose metabolism in the context of mild Alzheimer’s disease. Glucose hypometabolism in Alzheimer’s disease was present in the temporoparietal cortex when compared with cognitively normal older adults. However, no significant differences in brain ketone metabolism or rate constant were found between the two groups. Alternative energy sources to glucose may therefore be beneficial to the Alzheimer’s disease brain, at least early in the disease process, in order to maintain neuronal capacity and limit synaptic loss and decline in memory and cognition. // Résumé : Au cours du vieillissement normal, le cerveau va subir plusieurs changements métaboliques et structuraux qui vont accroitre le risque de déclin cognitif et du fait même augmenter le risque de développer la maladie d’Alzheimer. Les objectifs du présent travail étaient de : 1) quantifier l’effet du vieillissement normal sur la structure et le métabolisme du cerveau, grâce aux techniquesd’imagerie tomographie par émission de positons et l’imagerie par résonance magnétique ; 2) caractériser le métabolisme cérébral des deux substrats énergétiques du cerveau, le glucose et les cétones, dans un contexte de la maladie d’Alzheimer. Nos résultats indiquent qu’un hypométabolisme du glucose est présent chez des personnes âgées (65 ans et plus) qui démontrent pourtant une cognition normale. Cette diminution du métabolisme cérébral du glucose est observée spécifiquement au niveau des régions du cortex préfrontal et du noyau caudé. Du fait d’une grande variabilité au niveau des concentrations plasmatiques en cétones, aucune diminution du métabolisme des cétones n’a été constatée chez les personnes âgées. En revanche, la constante de transfert des cétones au cerveau était globalement diminuée. En ce qui concerne l’atrophie cérébrale au cours du vieillissement normal, nous avons observé qu’elle était globale, qu’elle concerne l’ensemble du cerveau et qu’elle était plus marquée que la diminution de l’épaisseur corticale. En comparant des personnes âgées en bonne santé à des personnes ayant la maladie d’Alzheimer, nous avons également confirmé que chez ces dernières, le métabolisme du glucose est diminué spécifiquement au niveau du cortex temporopariétal. Cependant, aucune différence entre les deux groupes de personnes n’a été observée en ce qui concerne le métabolisme cérébral des cétones. Ainsi en fournissant des substrats énergétiques autres que le glucose, il serait donc possible de maintenir les capacités neuronales, limiter la perte synaptique et ralentir le déclin cognitif. Ceci pourrait constituer une stratégie prometteuse dans la prévention et le traitement complémentaire au début de la maladie d’Alzheimer.

Le suivi continu des substituts tissulaires en développement est crucial afin de comprendre leur évolution au fil du temps. Par contre, la tâche représente tout un défi quand vient le temps d'évaluer des échantillons de grande taille avec les techniques de microscopie. De plus, les méthodes de caractérisation les plus courantes sont fastidieuses et entraînent le sacrifice des cultures. Le développement d'approches de suivi in situ en temps réel, non invasives et non destructives, adaptées aux échantillons non transparents et de grandes tailles, est essentiel dans le domaine du génie tissulaire. Les techniques d'imagerie médicale peuvent répondre à ces besoins sans perturber ni interrompre les cultures en cours. L'hypoThèse de travail de cette Thèse était de démontrer la possibilité d'établir des méthodes d'imagerie in situ, non invasives, non destructives et en temps réel pour le suivi de la viabilité et du métabolisme de cultures tridimensionnelles (3D) de cellules endothéliales dans un gel de fibrine perfusé. Afin d'y arriver, une chambre de culture à perfusion munie de fibres creuses pour la croissance de cellules endothéliales à l'intérieur d'un gel de fibrine a d'abord été conçue. Ensuite, un bioréacteur pulsatif à perfusion apte à assurer la survie et la croissance de cultures 3D in vitro pour le génie tissulaire a été développé et validé. Dans un second temps, les protocoles d'imagerie par tomographie d'émission par positrons (TEP) n'étant pas adaptés aux systèmes de bioréacteurs, il a fallu en développer et valider un en utilisant un radiotraceur bien connu : le [indice supérieur 18]F-fluorodésoxyglucose ([indice supérieur 18]FDG) qui est un marqueur capable de détecter le métabolisme cellulaire. L'imagerie au [indice supérieur 18]FDG d'un bioréacteur permet d'évaluer la perfusion de la culture, de contrôler sa viabilité ainsi que d'estimer la densité cellulaire et le positionnement des structures tissulaires émergentes. Ainsi, les conditions optimales favorisant sa capture par les cellules ont été déterminées au préalable sur des monocouches afin d'optimiser le signal TEP correspondant. Enfin, les paramètres actifs identifiés précédemment ont été mis en application pour le suivi de cultures 3D où les densités cellulaires ont pu être estimées après seulement 12 heures de culture et des structures émergentes décelées dans les gels de fibrine au bout d'une à deux semaines. L'imagerie TEP au FDG est une approche très prometteuse pour effectuer le suivi non destructif de cultures tridimensionnelles en génie tissulaire et pour comprendre l'évolution des tissus en croissance in vitro.

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

Pseudomonas aeruginosa est une bactérie Gram-négative qui présente une grande résistance aux antibiotiques, lui permettant de sévir dans le milieu hospitalier en infectant plus particulièrement les patients immunodéprimés. Cette résistance est principalement due au système d’efflux membranaire MexAB-OprM, capable d’exporter les antibiotiques en dehors de la cellule. Cette pompe à efflux est composée de trois protéines, MexA, MexB et OprM, incorporées dans les membranes internes et externes de la paroi bactérienne. Les structures de MexA, OprM et AcrB -une protéine présente chez E. coli, homologue de MexB- ont été déterminées individuellement par cristallographie des rayons X. Cependant, la structure du complexe entier, regroupant les trois protéines en interaction, ainsi que le mécanisme de cette pompe font toujours défaut. Le renforcement de nos connaissances structurales et fonctionnelles est donc capital pour lutter plus efficacement contre ces bactéries, par de nouvelles stratégies médicamenteuses. Ce travail porte sur l’étude de la structure et de la stœchiométrie de l’assemblage des protéines OprM et MexA au sein d’une membrane lipidique. La caractérisation du complexe OprM/MexA a été réalisée à l’aide de nouvelles techniques de caractérisation physico-chimique des surfaces, telle que la Microbalance à Cristal de Quartz avec Mesure de Dissipation (QCM-D), et par des méthodes d’imagerie, telles que la Cryo-Microscopie Electronique en Transmission (CryoMET) et la Cryo-Tomographie Electronique (CryoTE). En QCM-D, les mesures d’interaction entre OprM et MexA ont été réalisées sur support solide en contrôlant l’orientation d’OprM placée dans un environnement lipidique. Après ajout de la protéine MexA, la formation de complexes OprM/MexA a été mise évidence. Pour comprendre l’organisation de ce complexe, nous avons procédé à une étude comparative de l’organisation des protéines OprM, MexA et du complexe OprM/MexA incorporés dans une membrane lipidique, par CryoMET. Trois types d’organisation, respectivement spécifiques d’OprM, de MexA et du complexe OprM/MexA, ont été mis en évidence. Une analyse structurale de ces trois différents assemblages, pris en sandwich entre deux membranes lipidiques, a été menée par CryoTE. La reconstitution de la protéine OprM conduit à la formation de protéoliposomes, dû à des interactions intervenant entre les protéines OprM au niveau de leurs hélices périplasmiques. La protéine MexA s’organise sous forme d’une structure annulaire de 13 nm de hauteur au sein des membranes lipidiques, et d’une structure plus complexe de 26 nm de hauteur, résultant de l’empilement tête-bêche de deux structures annulaires de 13 nm. Ce travail révèle les dimensions exactes de l’assemblage formé par MexA, et permet de localiser à proximité des membranes les domaines non résolus dans la structure cristallographique. La reconstitution du complexe OprM/MexA révèle une disposition régulière des deux protéines dans les membranes lipidiques. Au sein des complexes, les protéines OprM sont présentes sous forme de trimères. Dans la membrane opposée, à l’aplomb d’une molécule d’OprM, MexA ne forme pas une structure annulaire similaire à celle décrite précédemment, indiquant un état d’oligomérisation différent de celui observé dans les assemblages MexA. Les densités de MexA sont compatibles avec la présence de quelques molécules de MexA. Cependant des structures annulaires de MexA, positionnées à l’aplomb de trois trimères d’OprM sont visibles. Notre étude montre que MexA adopte des structures oligomériques spécifiques en fonction de ses interactions avec les membranes lipidiques ou avec son partenaire OprM. / The structure determination of membrane protein in lipid environment can be carried out using cryo electron microscopy combined with the recent development of data collection and image processing. We describe a protocol to study assemblies or stacks of membrane protein reconstitued into a lipid membrane using both cryo electron tomography and single particle analysis which is an alternative approach to electron crystallography for solving 3D structure. We show the organization of the successive layers of OprM molecules revealing the protein-protein interactions between OprM molecules of two successive lipid bilayers.

Des colloïdes à base de silice et de polystyrène ont été synthétisés. Les particules d’oxyde ont d’abord été élaborées et modifiées en surface, puis ont servi de germes au cours d’une étape de polymérisation du styrène. Deux procédés de polymérisation en phase hétérogène ont été utilisés (émulsion ou dispersion) menant à des colloïdes aux morphologies originales et contrôlées. Une étude morphologique par tomographie électronique a permis de mieux comprendre les mécanismes de croissance et d’organisation des particules de latex autour des germes de silice. La synthèse de particules Janus pour l’imagerie biomédicale est aussi décrite. Ces particules de silice ont été modifiées en surface par un chromophore biphotonique et un agent de reconnaissance de certaines cellules tumorales. Des études spectroscopiques et des tests de cytotoxicité ont été entrepris. / Hybrid colloids based on silica and polystyrene have been synthesized. Oxide particles were first elaborated, surface modified, and then used as seed in a styrene polymerization step. Two heterogeneous polymerisation proceeds were employed (emulsion or dispersion) leading to colloids with original and controlled morphologies. A morphological study by electronic tomography enabled to better understand growth and organisation mechanisms of latexes around silica seeds. Janus particles synthesis for biomedical imaging is also described. Silica particles were surface modified with a biphotonic chromophore and a tumor cells targeting agent. Spectroscopic studies and cytotoxicity tests were investigated.

Cette thèse a pour objectif ultime d'améliorer notre compréhension de la réflexion de la lumière sur des surfaces micro-courbes, en particulier lorsque les dimensions physiques des surfaces (rayons de courbure de l'ordre de 50-300 μm) sont comparables aux paramètres dimensionnels d'un faisceau optique Gaussien, typique des faisceaux issus d'une fibre optique ou d'un microlaser. A cet effet, une étude théorique et des simulations numériques ont été menées ; elles ont été confrontées à une étude expérimentale. Pour ce faire, la réalisation des micro-miroirs à concavité contrôlée n'étant pas chose aisée, un premier jalon de cette thèse a consisté à atteindre les avancées technologiques nécessaires à la réalisation de tels micro-miroirs(par procédé de gravure plasma de type DRIE) en vue de leur caractérisation expérimentale. Une motivation importante du choix de ce sujet est son potentiel applicatif à la réalisation de micro-bancs optiques sur puce silicium, de sorte à augmenter les capacités de couplage et de manipulation de lumière de façon intégrée dans un espace ultra-compact. A titre d'illustration des possibilités de la nouvelle micro-instrumentation optique que nous proposons, nous avons conçu et réalisé un microsystème de balayage spatial à grand angle (110°) d'un faisceau laser dont le spot optique ne se déforme pas tout au long de l'opération de balayage, ce qui en fait, entre autres, la pièce maîtresse de systèmes portables d'imagerie médicale par tomographie à cohérence optique / The ultimate objective of this thesis is to improve our understanding of light reflection on micro-curved surfaces, especially when the physical dimensions of the surfaces (radii of curvature in the order of 50-300 microns) are comparable to typical dimensional parameters of a Gaussian optical beam, such as those coming from an optical fiber or from a micro-laser. To this end, a theoretical study and numerical simulations were conducted; they were confronted with an experimental study. To do this, the realization of micro-mirrors controlled concavity being not easy, a first step of this thesis was to achieve the technological advances necessary for the realization of such micro-mirrors (by plasma etching method of DRIE type) for their subsequent experimental characterization. An important motivation for choosing this topic is its potential application in the production of micro-optical benches on a silicon chip, so as to increase the coupling efficiencies and capabilities of manipulation of light, in an integrated way and in an ultra compact space. As an illustration of the new micro-optical instrumentation which is attainable, we have designed and implemented a micro-device able of wide-angle (110 °) spatial scanning of a laser beam, the optical spot being not deformed during the scanning operation, which makes this device, the centerpiece of portable medical imaging systems by optical coherence tomography, among others

Cette thèse a pour but d'étudier l'utilisation d'un analyseur de front d'onde basé sur l'interférométrie à décalage quadri-latéral pour l'imagerie microscopique en transmission. Cette technique d'interférométrie, développée initialement par la société Phasics (Palaiseau) pour les marchés de la métrologie optique et de la caractérisation de faisceaux laser essentiellement, peut aussi permettre d'obtenir la cartographie d'un champ électromagnétique complexe par mesure de front d'onde. En l'utilisant sur un microscope en condition d'imagerie, nous avons obtenu des images de l'intensité et de la différence de chemin optique introduite par un échantillon semi-transparent, définissant ainsi une nouvelle technique de contraste de phase quantitatif. Il s'agit d'un travail codirigé entre l'Institut Fresnel et l'entreprise Phasics (convention CIFRE), mené en collaboration avec le Centre d'Immunologie de Marseille Luminy. Dans cette thèse, nous discutons dans un premier temps de l'utilisation de l'analyseur en tant que détecteur placé dans le plan image d'un microscope optique classique, puis nous considérons deux modèles pour la formation des images de différence de chemin optique. Le premier modèle, dit projectif dans l'espace objet, suppose une mesure directe par l'analyseur de la différence de chemin optique locale introduite par l'échantillon. Nous montrons que cette hypothèse est valable pour deux applications particulières : la détermination de la quantité de matière sèche au sein d'un échantillon biologique, et la cartographie de la distribution de température induite par échauffement de particules d'or dans le plan objet du microscope. Le deuxième modèle prend en compte les effets de diffraction simple par l'échantillon et de filtrage par le système d'imagerie, en considérant l'angle sous lequel l'échantillon est illuminé. / The aim of this thesis is the use of a quadriwave lateral shearing interferometer for transmission microscopic imaging. First developped for optical metrology and laser beam caracterisation by the Phasics company (Palaiseau), this interferometric technique gives complexe electromagnetic field cartography by wavefront sensing. Using a microscope in imaging conditions, we obtained intensity and optical path difference images introduced by a semi-transparent sample. Thereby, we defined a new quantitative phase contrast technique.This work is co-directed by the Fresnel Institute and the Phasics company (CIFRE convention), in collaboration with the Centre Immunologique de Marseille Luminy. In this thesis, first we discuss the wavefront sensor use as a sensor plugged on the classical optical microscope image plane ; then we consider two models for optical path difference image formation. The first one, named object space projection, supposes a direct measurement of the optical path difference introduced by a sample. We show that this hypothesis is valid for two particular applications : dry matter determination within a biological sample, and temperature distribution induced by gold nano-particule heating. Thesecond model takes into account the simple sample diffraction and the optical device filtering depending on the illumination angle. This second approach allows us to build a model for intensity and optical path difference image formation for any planewave illumination. So we studied the image formation from a spatially partial incoherent illumination to a complete incoherent illumination. We made electromagnetic field measurements with the wavefront sensor in this last case. Then we discuss semi-transparent tomographic reconstruction by measurements in different imaging planes.One chapter is dedicated to quantitative phase imaging in biology, in particular with mitotic index determination within a cell population.

L'utilisation de filtres plissés dans le domaine du traitement de l'air est extrêmement fréquente en raison de leur simplicité d'utilisation et de maintenance. Néanmoins, au cours du colmatage, la perte de charge augmente considérablement avec le dépôt de particules. Par conséquent le débit de filtration n'est plus maintenu et une détérioration des médias peut se produire. Il est essentiel de caractériser cette évolution en fonction des conditions opératoires pour mieux concevoir ces équipements. Les travaux ont consisté en une étude expérimentale de l'influence des conditions opératoires sur la géométrie du dépôt par des observations en Tomographie d'Émission MonoPhotonique. Une approche numérique a consisté, dans un premier temps, en une étude de la perméabilité de médias bien caractérisés afin de valider le code GeoDict. Dans un deuxième temps, une étude de la vitesse de l'air a été entreprise sur les médias plissés. La confrontation des résultats numériques avec les données expérimentales nous a permis une validation du code dans les gammes de propriétés des médias et de vitesses typiques. Concernant les médias bimodaux, l'acquisition rapide de données a permis de tester différentes corrélations analytiques afin de classifier les modèles existants d'une manière qui facilite leur utilisation. Si les résultats expérimentaux obtenus sur la localisation du dépôt préférentiel initial dans les filtres plissés sont encourageants, notamment vis-à-vis des simulations d'écoulement réalisées avec GeoDict, ceux issus des acquisitions sur les filtres précolmatés sont à prendre avec prudence et suggèrent d'apporter un certain nombre d'amélioration à notre technique / Pleated filters are widely used in air treatments because of the advantageous effective surface to overall dimension ratio they offer. Their major drawback though resides in their reduced lifetime which still needs to be controlled. Indeed, when clogging, the pressure drop considerably increases, the filtration flow is then no longer maintained which might lead to the deterioration of the media. It is then crucial to characterize the evolution of the pressure drop under operating conditions in order to best design these equipments. Part of our work consisted in studying how the operating conditions influence the geometry of the deposit. To do so, we used Single-Photon Emission Computed Tomography (SPECT), a non-destructive imaging technique that keeps intact the particle structuring. The visualization of aerosol deposit at the beginning of the filtration process allows observing preferential particle deposition on the whole height of the pleat. A numerical approach was used to study the permeability of bimodal fibrous media and we experimentally studied the local velocity as well as the biphasic flow inside pleated filter media. Comparison between experiments and simulations allowed us to validate the Geodict code for a wide range of media properties and velocities. Regarding bimodal fibrous media, the fast data acquisition has allowed testing several existing models which resulted in classifying them in a unique way. If the experimental results on the initial deposition in pleated filters are encouraging, those related to beforehand clogging point to several improvements regarding the technique we used