L'exécution d'une expérience scientifique est un processus qui nécessite une phase de préparation minutieuse et approfondie. Le but de cette phase est de s'assurer que l'expérience donne effectivement le plus de renseignements possibles sur le processus que l'on est en train d'observer, de manière à minimiser l'effort (en termes, par exemple, du nombre d'essais ou de la durée de chaque expérience) nécessaire pour parvenir à une conclusion digne de confiance. De manière similaire, la perception est un processus actif dans lequel l'agent percevant (que ce soit un humain, un animal ou un robot) fait de son mieux pour maximiser la quantité d'informations acquises sur l'environnement en utilisant ses capacités de détection et ses ressources limitées. Dans de nombreuses applications robotisées, l'état d'un robot peut être partiellement récupéré par ses capteurs embarqués. Des schémas d'estimation peuvent être exploités pour récupérer en ligne les «informations manquantes» et les fournir à des planificateurs/contrôleurs de mouvement, à la place des états réels non mesurables. Cependant, l'estimation doit souvent faire face aux relations non linéaires entre l'environnement et les mesures des capteurs qui font que la convergence et la précision de l'estimation sont fortement affectées par la trajectoire suivie par le robot/capteur. Par exemple, les techniques de commande basées sur la vision, telles que l'Asservissement Visuel Basé-Image (IBVS), exigent normalement une certaine connaissance de la structure 3-D de la scène qui ne peut pas être extraite directement à partir d'une seule image acquise par la caméra. On peut exploiter un processus d'estimation (“Structure from Motion - SfM”) pour reconstruire ces informations manquantes. Toutefois, les performances d'un estimateur SfM sont grandement affectées par la trajectoire suivie par la caméra pendant l'estimation, créant ainsi un fort couplage entre mouvement de la caméra (nécessaire pour, par exemple, réaliser une tâche visuelle) et performance/précision de l'estimation 3-D. À cet égard, une contribution de cette thèse est le développement d'une stratégie d'optimisation en ligne de trajectoire qui permet de maximiser le taux de convergence d'un estimateur SfM affectant (activement) le mouvement de la caméra. L'optimisation est basée sur des conditions classiques de persistance d'excitation utilisée en commande adaptative pour caractériser le conditionnement d'un problème d'estimation. Cette mesure est aussi fortement liée à la matrice d'information de Fisher employée dans le cadre d'estimation probabiliste à des fins similaires. Nous montrons aussi comment cette technique peut être couplé avec l'exécution simultanée d'une tâche d'asservissement visuel en utilisant des techniques de résolution et de maximisation de la redondance. Tous les résultats théoriques présentés dans cette thèse sont validés par une vaste campagne expérimentale en utilisant un robot manipulateur équipé d'une caméra embarquée. / As every scientist and engineer knows, running an experiment requires a careful and thorough planning phase. The goal of such a phase is to ensure that the experiment will give the scientist as much information as possible about the process that she/he is observing so as to minimize the experimental effort (in terms of, e.g., number of trials, duration of each experiment and so on) needed to reach a trustworthy conclusion. Similarly, perception is an active process in which the perceiving agent (be it a human, an animal or a robot) tries its best to maximize the amount of information acquired about the environment using its limited sensor capabilities and resources. In many sensor-based robot applications, the state of a robot can only be partially retrieved from his on-board sensors. State estimation schemes can be exploited for recovering online the “missing information” then fed to any planner/motion controller in place of the actual unmeasurable states. When considering non-trivial cases, however, state estimation must often cope with the nonlinear sensor mappings from the observed environment to the sensor space that make the estimation convergence and accuracy strongly affected by the particular trajectory followed by the robot/sensor. For instance, when relying on vision-based control techniques, such as Image-Based Visual Servoing (IBVS), some knowledge about the 3-D structure of the scene is needed for a correct execution of the task. However, this 3-D information cannot, in general, be extracted from a single camera image without additional assumptions on the scene. One can exploit a Structure from Motion (SfM) estimation process for reconstructing this missing 3-D information. However performance of any SfM estimator is known to be highly affected by the trajectory followed by the camera during the estimation process, thus creating a tight coupling between camera motion (needed to, e.g., realize a visual task) and performance/accuracy of the estimated 3-D structure. In this context, a main contribution of this thesis is the development of an online trajectory optimization strategy that allows maximization of the converge rate of a SfM estimator by (actively) affecting the camera motion. The optimization is based on the classical persistence of excitation condition used in the adaptive control literature to characterize the well-posedness of an estimation problem. This metric, however, is also strongly related to the Fisher information matrix employed in probabilistic estimation frameworks for similar purposes. We also show how this technique can be coupled with the concurrent execution of a IBVS task using appropriate redundancy resolution and maximization techniques. All of the theoretical results presented in this thesis are validated by an extensive experimental campaign run using a real robotic manipulator equipped with a camera in-hand.

Au cours du développement cérébral des vertébrés, le processus permettant à des neurones nouveaux-nés de s'incorporer dans des réseaux déjà établis est mal compris. En effet, la majorité des études ayant été réalisées à l'échelle de la cellule, une description détaillée de la dynamique des circuits au cours de ce phénomène est manquante. Pour l'étudier, j'ai développé une méthode innovante utilisant la larve de poisson zèbre comme modèle expérimental et une approche pluridisciplinaire combinant la génétique, la microscopie bi-photonique et l'optogénétique pour suivre le développement de l'activité de neurones nouveaux-nés et des réseaux matures voisins dans un vertébré intacte et non-anesthésié. En utilisant cette technique j'ai décrit pour la première fois, pendant plusieurs jours consécutifs, le développement des propriétés fonctionnelles de neurones nouveaux nés avant et pendant leur incorporation dans les circuits du toit optique, la structure cérébrale la plus complexe du poisson zèbre permettant l'intégration l'information visuelle. Les résultats obtenus suggèrent une séquence de développement durant laquelle les neurones morphologiquement immatures spontanément actifs se connectent en premier à la rétine. Dans un second temps, ces neurones s'incorporant graduellement au circuit mature en montrant des corrélations avec des neurones matures éparses. Troisièmement, l'organisation spatiale des corrélations entre les neurones nouveaux-nés est raffinée et devient plus dense. Ces résultats suggèrent que les neurones nouveaux-nés se connectent dans un premier temps a une population éparse de neurones matures avant que les connections a longue distance disparaissent permettant aux neurones en développement d'obtenir une signature fonctionnelle robuste (ex. réponses restreintes spatialement). Récemment, des traitements basés sur la transplantation des tissues neuronaux ont été développées pour certaines maladies neuro-dégénératives (ex. maladie de Parkinson). Cependant ces thérapies sont actuellement limitées par le faible taux de survie et l'incorporation des neurones injectés. Ces travaux apportent une meilleure compréhension des mécanismes à l’œuvre lors de la formation de circuits neuronaux et pourront peut-être permettre d'améliorer l'efficacité des traitements utilisant des cellules souches pour réparer le cerveau humain. / In the vertebrate brain, mechanisms leading to the incorporation of newborn neurons into already functional networks still remain poorly understood. Indeed, since most of the studies have been performed at the single-cell level, a detailed description of the circuit dynamics is lacking. To investigate this phenomenon, I have developed a pioneer methodology using the zebrafish larva as an experimental model and a multidisciplinary approach combining genetics, two-photon microscopy and optogenetics to monitor the developing activity of genetically targeted newborn neurons and the surrounding matured networks, in an intact and non-anesthetized vertebrate. Using this technique I have described for the first time, and in the time course of several days, the developmental dynamics of the functional properties of newborn neurons before and during their incorporation into the mature tectal circuit, the zebrafish most complex layered structure and highest visual center. Overall, these results suggest a developmental sequence of events during which newborn neurons capable of generating intrinsic activity dynamics first connect to their pre-synaptic sensory organ (the retina). At a second stage, the newborn neurons gradually incorporate into the tectal mature circuit showing sparse correlations with mature neurons. At a third stage, the spatial organization of the correlation between the newborn and the mature neurons is refined, becoming denser. I thus suggest that the newborn neurons first connect to a large population of sparsely located mature neurons and subsequently distant connections are pruned, permitting the newborn-labeled neuron to acquire a stable and robust functional signature (e.g. sharp receptive fields). In the recent years, treatments based on the transplantation of neural tissue have been developed to target neurodegenerative diseases such as Parkinson's disease. Because these therapies face the problem of poor survival and long-term functional incorporation, this study may provide better understanding of neuronal circuits formation and might pave the way to improve the efficiency of stem-cells-based treatments for human-brain reparation.

Les avancées technologiques ont ouvert la voie à des approches de biopsie optique innovantes. Elles permettent à l'inverse des méthodes physiques de profiter des avantages d'une procédure mini-invasive, temps réels et répétitive. Le système de tomographie par cohérence optique (OCT) (la technique de biopsie optique utilisée dans cette thèse) propose des approches qui naviguent dans le corps humain grâce à des sondes endoscopiques robotisées. Toutefois, leur contrôle une fois à l’intérieur du corps devient difficile, surtout si l’objectif est de suivre l’évolution d'une zone cible, en faisant un travail de repositionnement dans le temps. L'asservissement visuel est un outil de choix pour le contrôle et le positionnement directement par l'image. Néanmoins, la richesse des informations présentes dans les images autorisent l'utilisation de plusieurs types d'information visuelle. Dans ce contexte, nous proposons l'utilisation de primitives visuelles innovantes fondées sur les ondelettes. Ainsi, deux approches d'asservissements visuels fondées sur les ondelettes ont été développées. La première approche est un asservissement visuel 2D pose fondé sur les ondelettes spectrales continues qui assure une convergence sur un espace plus important avec une bonne robustesse au bruit et une commande découplée. La deuxième est un asservissement visuel 2D direct fondé sur les ondelettes multirésolution, principalement pour faire du positionnement aux petits déplacements. Par ailleurs, la deuxième méthode couvre les 6 DDL quand la première se limite aux 3 DDL dans les images CCD. De plus, ces deux approches ont prouvé leurs aptitudes à faire du positionnement des coupes OCT. Mais encore, nous avons proposé une méthode de positionnement partitionnée que nous pouvons qualifier d'hybride, car elle exploite deux modalités d'images (OCT - CCD) pour assurer un positionnement sur SE(3) d'un échantillon. De même, nous avons proposé une méthode d'étalonnage des images de coupe et de volume OCT, liée aux distorsions générées par le chemin optique parcouru par le faisceau laser OCT. Finalement, ces travaux ouvrent la voie vers des applications dans le positionnement des volumes OCT, la compensation de mouvement physiologique et le suivi d'outils par des images OCT. / The technological advances have facilitated the optical biopsy approaches, unlike physical methods to take advantage of a minimally invasive, real time and repetitive procedure. The optical coherence tomography system is one of the optical biopsy techniques used in this thesis to prospect in the human body with robotized OCT endoscopic probes. Nevertheless, their control once inside the body becomes difficult, especially if the goal is following changes in the target area. The visual servoing is an ideal tool for the control and positioning of the robot. However, the amount of information present in the images allows the use of several types of visual features. In this thesis, we propose to use an innovative visual servoing feature based on wavelets. This representation developed as the evolution of the Fourier transform for non-stationary signals provides a time-frequency representation of the signal with a better extraction of the relevant information. Indeed, two visual servoing approaches based on wavelets were developed. The first approach is a 2D pose visual servoing based on spectral continuous wavelets, which ensures convergence over a larger area and decoupled control. The second is a direct 2D visual servoing based on multiresolution wavelets, mainly for small displacements positioning. However, the latter covers the 6 DOF when the previous one is limited to 3 DDL with a CCD camera. Both approaches have proven their ability to make the positioning of B-Scan OCT images. After that, we have proposed a method of partitioned positioning, that we can qualify by hybrid because it uses two image modalities to ensure SE(3) positioning of a sample. On the other side, we proposed a calibration method of B-Scan and 3D-Scan OCT images, due to the distortions generated by the optical path of the laser beam in OCT. Finally, these thesis is a beginning work for applications in positioning of 3D-Scan OCT, physiological motion compensation and monitoring tools by OCT images.

Afin de pouvoir apparier de manière précise les couleurs il est essentiel de prendre en compte la sensibilité visuelle à percevoir de petites différences de couleur. Les petites différences de couleur peuvent être mesurées par des ellipses qui décrivent les différences justes observables (just noticeable difference - JND). Ces ellipses décrivent la faculté du Système Visuel Humain à discriminer des couleurs très peu différentes. D'un point de vue mathématique, ces ellipses peuvent être modélisées par une fonction différentielle positive de forme quadratique, caractéristique de ce que l'on appelle communément une métrique Riemannienne. La métrique Riemannienne peut être considérée comme un outil utile pour évaluer l'adéquation, la robustesse et la précision, d'un espace couleur ou d'une métrique couleur, à décrire, à mesurer, correctement les différences de couleur telles qu'elles sont perçues par le Système Visuel Humain. L'un des particularités de cette métrique est qu'elle modélise la plus petite distance qui sépare deux couleurs dans un espace couleur par une ligne géodésique. Selon l'hypothèse de Schrödinger les lignes géodésiques qui partent d'un point neutre d'une surface de luminosité constante décrivent des courbes de teinte constante. Les contours de chrominance (chroma) forment alors des courbes fermées à intervalles constants à partir de ce point neutre situées à une distance constante des lignes géodésiques associées à ces teintes constances. Cette hypothèse peut être utilisée pour tester la robustesse, la précision, des formules mathématiques utilisées pour mesurer des différences couleur (color difference formulas) et pour prédire quelle valeurs peuvent prendre tel ou tel attribut perceptuel, ex. la teinte et la saturation (hue and chroma), ou telle distribution de stimulus couleur, dans n'importe quel espace couleur. Dans cette thèse, nous présentons une méthode qui permet de modéliser les éléments de ligne (lignes géodésiques), correspondants aux formules mathématiques Delta E * ab, Delta E * uv, OSA-UCS Delta EE utilisées pour mesurer des différences couleur, ainsi que les éléments de ligne correspondants à l'approximation infinitésimales du CIEDE2000. La pertinence de ces quatre formules mathématiques a été évaluée par comparaison, dans différents plans de représentation chromatique, des ellipses prédites et des ellipses expérimentalement obtenues par observation visuelle. Pour chacune de ces formules mathématiques, nous avons également testé l'hypothèse de Schrödinger, en calculant à partir de la métrique Riemannienne, les lignes géodésiques de teinte et les contours de chroma associés, puis en comparant les courbes calculées dans l'espace couleur CIELAB avec celles obtenues dans le système Munsell. Les résultats que nous avons obtenus démontrent qu'aucune de ces formules mathématiques ne prédit précisément les différences de couleur telles qu'elles sont perçues par le Système Visuel Humain. Ils démontrent également que les deux dernières formules en date, OSA-UCS Delta EE et l'approximation infinitésimale du CIEDE2000, ne sont pas plus précises que les formules conventionnelles calculées à partir des espaces couleur CIELAB et CIELUV, quand on se réfère au système Munsell (Munsell color order system) / Visual sensitivity to small color difference is an important factor for precision color matching. Small color differences can be measured by the line element theory in terms of color distances between a color point and neighborhoods of points in a color space. This theory gives a smooth positive definite symmetric metric tensor which describes threshold of color differences by ellipsoids in three dimensions and ellipses in two dimensions. The metric tensor is also known as the Riemannian metric tensor. In regard to the color differences, there are many color difference formulas and color spaces to predict visual difference between two colors but, it is still challenging due to the nonexistence of a perfect uniform color space. In such case, the Riemannian metric tensor can be used as a tool to study the performance of various color spaces and color difference metrics for measuring the perceptual color differences. It also computes the shortest length or the distance between any two points in a color space. The shortest length is called a geodesic. According to Schrödinger's hypothesis geodesics starting from the neutral point of a surface of constant brightness correspond to the curves of constant hue. The chroma contours are closed curves at constant intervals from the origin measured as the distance along the constant hue geodesics. This hypothesis can be utilized to test the performance of color difference formulas to predict perceptual attributes (hue and chroma) and distribution of color stimulus in any color space. In this research work, a method to formulate line element models of color difference formulas the ΔE*ab, the ΔE*uv, the OSA-UCS ΔEE and infinitesimal approximation of CIEDE2000 (ΔE00) is presented. The Jacobian method is employed to transfer their Riemannian metric tensors in other color spaces. The coefficients of such metric tensors are used to compute ellipses in two dimensions. The performance of these four color difference formulas is evaluated by comparing computed ellipses with experimentally observed ellipses in different chromaticity diagrams. A method is also developed for comparing the similarity between a pair of ellipses. The technique works by calculating the ratio of the area of intersection and the area of union of a pair of ellipses. Similarly, at a fixed value of lightness L*, hue geodesics originating from the achromatic point and their corresponding chroma contours of the above four formulas in the CIELAB color space are computed by solving the Euler-Lagrange equations in association with their Riemannian metrics. They are compared with with the Munsell chromas and hue circles at the Munsell values 3, 5 and 7. The result shows that neither formulas are fully perfect for matching visual color difference data sets. However, Riemannized ΔE00 and the ΔEE formulas measure the visual color differences better than the ΔE*ab and the ΔE*uv formulas at local level. It is interesting to note that the latest color difference formulas like the OSA-UCS ΔEE and the Riemannized ΔE00 do not show better performance to predict hue geodesics and chroma contours than the conventional CIELAB and CIELUV color difference formulas and none of these formulas fit the Munsell data accurately

On rencontre aujourd'hui la vision par ordinateur employée pour la réalisation de nombreuses applications de la robotique moderne. L'un des axes de recherche actuel qui tend à améliorer ces systèmes est centré sur la commande. L'objectif est de proposer des schémas de commande originaux permettant de lier efficacement les informations mesurées par les capteurs de vision aux actions que l'on souhaite réaliser avec les robots. C'est dans cet aspect que s'inscrit ce document en apportant de nouvelles méthodes à la commande robotique classique faisant intervenir la vision, l'asservissement visuel. Le cas de pertes d'informations visuelles pendant la réalisation d'une tâche d'asservissement visuel est étudié. Dans ce sens, deux méthodes de prédiction qui permettent à la tâche d'être réalisée malgré ces pertes sont présentées. Puis une méthode inédite de correction est proposée. Celle-ci permet d'obtenir de meilleurs résultats de prédiction qu'une méthode classique, comme le démontrent des résultats obtenus en simulation et en condition réelle. Enfin, dans le contexte de la réalisation de plusieurs tâches d'asservissement visuel successives, une nouvelle méthode est présentée. Celle-ci exploite les caractéristiques d'un schéma de commande utilisé depuis quelques dizaines d'années dans l'industrie et la recherche, la commande prédictive basée modèle. Des résultats obtenus en simulation proposent de visualiser les effets de cette méthode sur le comportement d'un drone qui embarque une caméra. / The computer vision is used for the achievement of many applications of modern robotics. One of the current research topics that aims to improve these systems is focused on command. The objective consists to propose original control schemes to effectively link the information measured by the vision sensor to the actions that are to be achieved with the robots. This document is part of this look by bringing new methods to classical robotic control involving vision, the visual servoing.The case of visual information losses during the achievement of a visual servoing task is studied. In this sense, two prediction methods that allow the task to be achieved despite these losses are presented. Then a new method of correction is proposed. This provides better prediction results than a conventional method, as shown by the results obtained in simulation and in real conditions.Finally, in the context of the achievement of several successive visual servoing tasks, a new method is presented. This exploits the characteristics of a control scheme used for several decades in industry and research, model based predictive control. The results obtained in simulation propose to see the effect of this method on the behavior of a drone that embeds a camera.

L'étude de fonctions cognitives telles que le langage, la conscience et a fortiori leurs relations, constitue un défi aux confins de la médecine et des neurosciences cognitives. Le traitement sémantique procure à nos expériences perceptuelles un niveau de représentation abstrait, permettant une variété de fonctions conceptuelles. Dans ce travail, nous avons voulu explorer les relations entre le traitement sémantique verbal et la conscience en adoptant une double approche : d'une part en étudiant des sujets sains en condition de perception consciente et inconsciente (en utilisant une technique de masquage visuel), et d'autre part en étudiant des patients présentant un trouble de la conscience. Au travers de ce travail, nous apportons des arguments en faveur de l'existence de représentations sémantiques verbales inconscientes. Nous proposons également que les deux signatures cérébrales observées en potentiels évoqués (N400 puis LPC/P600) puissent s'intégrer dans un modèle à deux temps : premier temps inconscient (correspondant à la N400), puis second temps conscient (correspondant à la LPC/P600). En explorant les différences entre traitement conscient et non conscient, nous montrons que le traitement sémantique non conscient est sensible aux influences descendantes conscientes, ce qui réfute une conception strictement automatique de la cognition inconsciente. Nos résultats apportent également un nouveau regard sur les mécanismes de résolution d'ambiguïté sémantique. L'exploration des capacités cognitives telles que le traitement sémantique verbal, chez des patients présentant un trouble de la conscience, devrait permettre des avancées notables dans leur prise en charge. / The study of cognitive functions so complex such as language and consciousness, and of their interactions, is a challenge at the boundaries between medicine (intensive care, anesthesia, neurology) and cognitive neuroscience. Semantic processing provides our perceptual experiences with a level of abstraction allowing a variety of conceptual functions such as object recognition, social cognition, or language. In this thesis, we explored the relationships between verbal semantic processing and consciousness using a double approach: first, by studying healthy subjects in conscious and unconscious condition (using visual masking), and secondly by studying patients with disorders of consciousness. Through this work we provided empirical evidence of unconscious semantic representations. We then proposed that the two main brain signatures of semantic processing observed in ERPs (N400 and LPC / P600) could be integrated in a two stages model: a first unconscious stage (corresponding to the N400), followed or not by a second stage of processing corresponding to conscious semantics (LPC / P600). Exploring the differences between conscious and nonconscious processing, we showed that nonconscious semantic processing is sensitive to conscious top-down influences. These results refute a strictly automatic conception of unconscious cognition. Our results also shed new light on the respective roles of the two hemispheres in the resolution of semantic ambiguity. The exploration of high-level cognitive abilities, - such a verbal semantic processing - in patients affected with disorder of consciousness should enable significant advancements in their medical management.

L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre comment les enfants déficients visuels (DV) appréhendent les images tactiles qui illustrent les livres qui leur sont destinés. Notre travail est organisé autour de deux axes de réflexion. Le premier axe se concentre sur l’enfant qui explore des images tactiles, alors que le second axe se focalise sur l’impact des propriétés de ces images sur le traitement haptique des enfants. Nos travaux ont porté sur des enfants atteints de différents degrés de handicap visuel mais sans troubles associés (en particulier, sans retard cognitif), en distinguant les enfants aveugles précoces des enfants malvoyants. Nous avons également comparé leurs performances à celles d’enfants voyants de mêmes âges. Les résultats obtenus montrent que l’expérience perceptive des enfants en fonction de leur degré de handicap visuel impacte fortement la compréhension de l’image explorée tactilement. Les capacités de conceptualisation (accès aux dimensions perceptives et sémantiques de l’image) sont différentes, tout comme les mouvements d’exploration mis en œuvre pour accéder à une bonne compréhension. Nous montrons également que les dimensions spatio-temporelles des explorations (temps, quantité d’exploration, appréhension de l’espace) sont déterminantes pour reconnaitre ce qui est représenté par l’image, et que ces dimensions varient, à nouveau, en fonction du degré de handicap visuel. D’un point de vue fondamental, nous apportons des données concernant les spécificités du système perceptif haptique des enfants DV. D’un point de vue appliqué, nos travaux permettent de proposer des consignes pratiques relatives à la conception d’albums et des conseils pédagogiques concernant l’éducation au toucher à proposer à ces enfants. / The present PhD aims at understanding how Visual Impaired (VI) children process the tactile pictures that illustrate the tactile books specially designed for them. Our work is organized around two main axes of analysis. The first axis concentrates on the child who explores the tactile images, while the second axis focuses on the impact that the properties of these images can have on children’s haptic processing. Our researches included children presenting various degrees of visual impairment but without any associated disorders (in particular, without any cognitive delay), distinguishing early blind children from children with low vision. We also compared their performance with those of sighted children of similar ages. The results showed that children’s perceptive experience, varying according to their degree of visual handicap, strongly impacted their understanding of the tactually explored pictures. Their capacities of conceptualization (access to the perceptive and semantic dimensions of the pictures) were different, just like their movements of exploration carried out to attain a good understanding of the images. We also showed that some properties of the children’s explorations (duration, quantity of exploration, space apprehension) were directly related to the way the children interpreted what was represented in the pictures. Again, these spatiotemporal features varied as a function of the degree of visual handicap. From a fundamental point of view, we provided interesting information concerning the specificities of the haptic perceptive system of the VI children. From an applied point of view, our work enabled to elaborate practical instructions relative to the design of tactile albums and educational advices concerning the education of touch to be proposed to these children.

Dans la schizophrénie, de nombreux patients présentent un manque de soins d’hygiène personnelle, caractéristique du versant négatif de la symptomatologie. Cette négligence donne naissance à une odeur corporelle nauséabonde, qui d’antan fut un élément déterminant du diagnostic. Les prises en charge de ce symptôme, focalisées sur les soins fondamentaux de la toilette, sont souvent une gageure et échouent. En nous inscrivant dans une démarche pluridisciplinaire, nous tentons de donner du sens aux odeurs corporelles dans la schizophrénie. Notre hypothèse est que les comportements d’hygiène personnelle pourraient être conditionnés par les capacités du système olfactif des patients, sujet tout juste effleuré jusqu’ici. Une épreuve d’identification d’échantillons odorants au moyen d’images photographiques des sources d’odeurs potentielles a été normalisée : le test olfacto-visuel (TOV). L’application du TOV a permis de montrer un défaut des capacités d’identification olfactive chez les patients, sa relation avec la symptomatologie et les compétences sociales des patients. La mise en place d’un atelier thérapeutique à médiation olfactive a conduit à montrer les conséquences bénéfiques de la prise en charge de la sensorialité olfactive sur l’évolution des capacités olfactives, la symptomatologie, les comportements hygiéniques et alimentaires ainsi que sur le vécu affectif des patients atteints de schizophrénie. Ces derniers montrent aussi des dysfonctionnements de la sphère émotionnelle. Nous avons d’abord réanalysé les liens existants entre la caractéristique hédonique des odorants et les émotions dans la population générale, puis repoussé leurs simplifications habituelles. Les liens entre odeurs perçues et émotions évoquées par les échantillons odorants apparaissent perturbés chez les patients. Ce travail de recherche propose une relecture de la perception olfactive dans la schizophrénie et montre l’intérêt thérapeutique de son exploitation. L’évolution clinique positive des comportements d’hygiène personnelle, après la prise en charge olfactive, valide l’hypothèse du rôle de l’odeur corporelle en tant que gardien de l’existence. L’ « être-au-monde odorant » des patients possède une fonction identitaire dans la schizophrénie. / In the case of schizophrenia, numerous patients have poor personal hygiene, which is typical of negative symptomatology. This self-neglect engenders offensive body odor which also was in the past a crucial element for the diagnosis. Attempts to address the manifestations of that symptom by focusing on the principles of basic grooming often prove a losing battle and fail. Thanks to an interdisciplinary approach, our endeavor is to try and give meaning to body odor for schizophrenics. Our hypothesis is that personal hygiene behavior could be conditioned by the patients’ olfactory system capacities – a domain which has barely been studied to this day. An olfactory stimuli identification test of potential odor sources via photographic images has been standardized: the olfacto-visual test (OVT). The OVT’s application has permitted to reveal an olfactory identification deficit in the patients, its relation to symptomatology and the patients’ social skills. The setting up of a therapeutic workshop through olfactory mediation has led to show the beneficial consequences of the caring for the sense of smell on the evolution of olfactory skills, symptomatology, hygiene and dietary patterns, as well as on the patients’ emotional life. Patients suffering from schizophrenia also present emotion-management troubles. We have first analyzed the existing links between the hedonic characteristics of odorants and the emotions among the general population anew, and then questioned the usual simplifications about them. The links between perceived odors and emotions produced by the odor samples appeared as blurred for the patients. This research offers a new approach of the olfactory perception in schizophrenia and shows the therapeutic interest of its exploitation. The positive clinical evolution of personal hygiene behavior after the olfactory caring confirms the hypothesis of the role of body odor as a token of existence. The patients’ bad body odor reveals an identity function in schizophrenia.

Ces travaux s'inscrivent dans le cadre plus général de la réalisation d'une prothèse visuelle, destinée aux personnes atteintes de cécité tardive due à une maladie dégénérative des cellules photo réceptrices de la rétine. Par la stimulation adéquate de certaines parties des voies optiques encore fonctionnelles, il est possible de transmettre à nouveau des perceptions visuelles, appelées phosphènes, dans le champ visuel du patient. Les études actuelles portant sur le contenu informationnel de cette vision prothétique proposent simplement de réduire la résolution de l'image d'une caméra embarquée. Notre étude propose une nouvelle approche basée sur le principe de la vision fonctionnelle, développée en collaboration avec les spécialistes de la rééducation fonctionnelle de l'institut ARAMAV. Par le biais de cette approche innovante, nous avons défini des méthodes d'extraction et de représentation des informations de la scène. L'objectif est d'améliorer l'autonomie en mobilité et de rendre possible la perception des expressions faciales. Pour évaluer la pertinence de ces propositions, nous avons développé un simulateur de vision prothétique, dont les paramètres sont basés sur les résultats d'essais cliniques. Pour la mobilité, nous mettons notamment en évidence l'intérêt de fournir un accès aux informations 3D, en substitution ou en complément de l'information de luminosité, ainsi que l'intérêt d'utiliser un oculomètre pour améliorer et faciliter la prise d'informations. Des expériences spécifiques à la mobilité, ainsi que certains résultats initiaux sont présentés. Pour la reconnaissance des expressions faciales, notre étude apporte la preuve que ces expressions sont correctement perçues si nous combinons des techniques de sélection de l'information et l'utilisation de certains prétraitements. / This work falls within the broader framework of visual prostheses conception, designed for people suffering from late blindness due to degenerative diseases of retina photoreceptor cells. By stimulating certain part of the optical pathway that is still functional, it is possible to elicit visual perceptions, called phosphenes, in the subject's visual field. Recent studies on the problematic of informational content of prosthetic vision propose, in majority, a simple reduction in the resolution of grayscale images acquired from a single head worn camera. Our study proposes a new approach based on the principle of functional vision, developed in collaboration with specialists in functional rehabilitation of the ARAMAV institute. Through this innovative approach, we have defined methods for extraction and representation of scene informational content, which aim to improve autonomy in mobility and to make possible the perception of facial expressio ns. In order to evaluate these propositions, we have developed a prosthetic vision simulator, whose parameters are based on clinical trials results. For mobility, we present the usefulness of providing access to 3D information, in substitution or in addition with brightness information and the usefulness of an eye tracking device to improve and facilitate spatial knowledge acquisition. Experiments dedicated to mobility as well as some preliminary results are presented. For the recognition of facial expressions, our study provides evidence that these expressions are correctly perceived if we combined information selection and specific image processing techniques.

La rotation de la Terre oblige les organismes vivants à s’adapter aux modifications cycliques de l’environnement, et tout particulièrement aux changements de lumière et de température. Des unicellulaires à l’Homme, la plupart des espèces ont développé des horloges circadiennes, qui leur permettent d’anticiper les transitions jour-nuit. La lumière constitue le signal majeur pour la synchronisation de l’horloge. En cycles jour-nuit, les drosophiles présentent un profil d’activité locomotrice bimodal, avec un premier pic autour de l’aube et le deuxième au crépuscule. Chez cet insecte, la perception de la lumière est assurée à la fois par un système complexe, constitué des yeux composés, des ocelles et de l’eyelet d’Hofbauer-Buchner. Ces organes contiennent des photorécepteurs (PRs) exprimant six protéines photosensibles différentes, les rhodopsines (Rh1 à Rh6). Une septième rhodopsine (Rh7) a été décrite dans quelques neurones de l’horloge cérébrale. La lumière est également perçue directement dans la plupart des neurones d’horloge grâce à une protéine photosensible, le cryptochrome (Cry). Les différentes études du rôle de la lumière sur l’entraînement de l’horloge ont essentiellement porté sur la voie cry-dépendante, en utilisant de courts flashs lumineux pour recaler l’horloge cérébrale. Notre étude s’est intéressée à l’entraînement de l’horloge via les rhodopsines. Quels types de photorécepteur sont impliqués ? Après l’activation de la cascade de phototransduction et la libération de l’histamine par les photorécepteurs, quels neurones, exprimant les récepteurs à l’histamine Ort et Hiscl1, participent à l’entraînement de l’horloge circadienne ? Une première partie présente l’étude de l’implication des 6 rhodopsines dans l’entraînement circadien. Tout d’abord, nous avons mis en évidence la fonction de photorécepteurs spécifiques (exprimant Rh1 ou Rh6) dans la voie NorpA-dépendante (Saint-Charles et al. J Comp Neurol 2016). Nous avons ensuite généré des lignées de drosophiles n’exprimant aucune ou qu’une seule rhodopsine. Sans rhodopsine ni Cry les mouches sont incapables de se synchroniser sur les cycles jour-nuit, quelle que soit l’intensité lumineuse. En lumière faible, l’input pour l’entraînement vient principalement des photorécepteurs exprimant Rh1 et Rh6. En forte lumière, chacune des 6 rhodopsines des différents photorécepteurs est capable d’entrainer l’horloge, Rh1, Rh5 et Rh6 étant les plus efficaces ( Alejevski et al., in prep). Une deuxième partie présente la caractérisation des voies neuronales connectant directement ou indirectement les PRs à l’horloge cérébrale. L’horloge circadienne de mouches mutantes, à la fois pour le cryptochrome et les 2 récepteurs à l’histamine, est « aveugle » alors que les mutantes pour Cry mais possédant l’un ou l’autre récepteur à l’histamine sont capables de se synchroniser sur les cycles de lumière. La ré-expression chez les mutants de Ort ou Hiscl1 dans les neurones d’horloge ne restaure pas l’entraînement, suggérant ainsi l’absence de connexions directes entre les PRs histaminergiques et les neurones d’horloge. Nos expériences de sauvetage comportemental mettent en évidence des connexions fonctionnelles entre certains interneurones Ort des lobes optiques et les neurones d’horloge. En revanche et de façon inattendue, nous n’observons d’entraînement circadien que lorsque nous ré-exprimons Hiscl1 dans les seuls PRs Rh6. Nos résultats révèlent que les photorécepteurs interviennent dans l’entraînement à la fois comme photorécepteurs et comme interneurones, cibles d’input histaminergique, rappelant ainsi le double rôle des cellules ganglionnaires de la rétine exprimant la mélanopsine chez les mammifères (Alejevski et al. Nat Commun, in revision). / The rotation of the earth forces living organisms to adapt to its cyclic environment, in particular light and temperature changes. From unicellular organisms to humans, almost all species have evolved circadian clocks, which allow them to anticipate day-night transitions and use light as the most powerful synchronizing cue. In light-dark cycles, D. melanogaster flies display a bimodal locomotor activity with peaks around dawn and dusk. To perceive light, Drosophila has evolved a complex visual system, composed of compound eyes, ocelli and Hofbauer-Buchner eyelet. These organs contain photoreceptors (PRs) expressing six different light receptors named rhodopsins (Rh1 to Rh6). In addition, one rhodopsin (Rh7) is found in some of the clock neurons in the brain. Most of the clock cells also express another type of light receptor, Cryptochrome (Cry). Most studies about clock entrainment by light have focused on the Cry-dependent light input, which allows short light pulses to reset the brain clock. The present thesis focuses on the entrainment of the brain clock through rhodopsins. In photoreceptors, rhodopsins capture photons and activate a transduction cascade, where a key player is the phospholipase C (PLC) encoded by norpA. Mutants deficient for Cry and NorpA do not synchronize at low light intensity but still entrain with high light, indicating that an unknown NorpA-independent pathway is also used by the clock. Light induces a depolarization of the PRs, which release histamine as a neurotransmitter, but their role in circadian entrainment is unknown. Which type of rhodopsine-expressing photoreceptors are implicated? After the phototransduction cascade activation and the release of histamine from the photoreceptors, which downstream neurons expressing the histamine-gated chloride channels Ort and Hiscl1 (whose function has been studied in the visual behavior) are involved in the circadian entrainment? The first part of the thesis was to study the function of the 6 PR rhodopsins in circadian entrainment. I first contributed to studying the function of the specific photoreceptors in the NorpA-dependent pathway (Saint-Charles et al. J Comp Neurol 2016). Then, we generated genotypes having either none or only one of the six PR rhodopsins. Mutants with no Cry and none of the 6 PR rhodopsins could not synchronize with light-dark (LD) cycles (low light or high light). In low light, Rh1 and Rh6 were the main light input for entrainment. In high-light, each one of the 6 PR rhodopsins can provide entrainment, with Rh1, Rh5 and Rh6 being the most efficient (Alejevski et al., in prep).The second part of the work was to identify the neuronal pathways that connect the PRs to the brain circadian clock. Flies deficient for Cry and the two histamine receptors are circadianly blind, whereas Cry mutants having either Ort or Hiscl1 are able to entrain. Thus, each one of the two receptors supports circadian entrainment. Rescuing Ort or Hiscl1 in the clock cells could not restore entrainment, indicating that there is no direct histaminergic connection between PRs and clock neurons. Our rescue experiments revealed several pathways in otic lobes that rely on Ort-expressing interneurons to entrain the clock. In contrast and unexpectedly, we observed that the expression of Hiscl1 in PRs but not in interneurons was involved in circadian entrainment. In fact, only Hiscl1 expression in Rh6 PRs mediates entrainment. Our work thus reveals Rh6-expressing PRs as both photoreceptors and histamine-receiving interneurons in the rhodopsin-dependent entrainment pathway, which recalls the role of melanopsin-expressing retinal ganglion cells in the mammalian retina (Alejevski et al. Nat Commun, in revision).