Cette thèse en informatique se place dans le cadre de l'Analyse de Concepts Formels (ACF) ou les treillis de Galois. Ce sont des outils basés sur des opérateurs mathématiques appelés fermetures de Galois permettant de calculer des concepts. Un concept est formé d'un ensemble d'objets partageant tous un ensemble d'attributs communs. Ces concepts sont extraits à partir d'un contexte qui est une table de relation binaire entre ces objets et ces attributs. Nous nous intéressons à des contextes complexes dont la complexité repose sur deux axes. D'une part, les contextes multi-valués dont les attributs se divisent en plusieurs modalités. D'autre part, les contextes flous dont la relation entre objets et attributs n'est pas binaire. Nous définissons les contextes multi-valués flous qui héritent de ces deux complexités et présentons deux conversions des données multi-valuées floues. La première conversion est une binarisation par une disjonction totale des attributs permettant d'une part l'exploitation d'outils comme des implications et d'autre part de comparer et combiner les treillis avec des méthodes statistiques telles que l'analyse factorielle. La seconde conversion est issue de l'échelonnage histogramme que nous définissons et qui permet de convertir les attributs en histogrammes. Afin de générer les concepts à partir des histogrammes, nous proposons une nouvelle fermeture de Galois basée sur une mesure de similarité entre ces histogrammes. Cette fermeture permet d'obtenir des concepts pour lesquels les objets possèdent des attributs non plus égaux mais similaires compris entre un minimum et un maximum communs. Nous proposons également des mesures de seuillage pour limiter le nombre de concepts générés et diminuer les temps de calculs. Enfin, deux algorithmes ont été testés pour implémenter cette fermeture : MinMaxNC et MinMaxC, dont nous comparons les performances. Cette thèse trouve son application notamment dans le domaine hydrobiologique dont une problématique est la sélection de traits écologiques de taxons permettant de caractériser l'état écologique des cours d'eau par le comportement des espèces au sein de leur environnement. La sélection de ces traits s'appuie sur la recherche de groupes de taxons possédant des caractéristiques morphologiques et physiologiques (appelés traits biologiques) communes. Ces groupes correspondent à des concepts au sens de l'ACF et les données biologiques se présentent sous la forme d'un contexte multi-valué flou pour lequel nous montrons l'efficacité de notre approche.

Le Parc National de Kahuzi-Biega (PNKB) se localise dans l’Est de la R.D. Congo, à une trentaine des kilomètres au Nord de la ville de Bukavu, (province du Sud-Kivu). Ce parc couvre une superficie de 6.000 km² dont 5.400 km² situés en basse altitude (600-1200 m d’altitude) et 600 km² constituent le secteur de haute altitude occupée par les forêts de montagne (1800-3308 m). Depuis environ une décennie, la liane indigène Sericostachys scandens Gilg & Lopr. (Amarantaceae) se répand rapidement dans les forêts de montagne au PNKB. L’extension de cette liane, et ses conséquences supposées sur la biodiversité et la régénération de la forêt inquiètent les gestionnaires du Parc. Le travail a examiné trois aspects de l’écologie de l’invasion par S. scandens dans le Parc. Premièrement, on a examiné les traits fonctionnels susceptibles d’expliquer une aptitude élevée à l’invasion chez S. scandens. Une approche comparative avec trois espèces de lianes non envahissantes coexistant dans le même habitat montre que S. scandens présente une allocation de biomasse aux diaspores significativement plus élevée. En plus, elle combine une reproduction sexuée intense et une capacité de reproduction végétative. Cette liane se distingue également des trois autres par un taux de ramification plus élevé. Par contre, les traits foliaires ne sont pas systématiquement différents. De même, le taux de germination des graines de S. scandens ne diffère pas significativement de ceux des autres lianes étudiées. Cependant, il est significativement plus élevé en canopée ouverte qu’en canopée fermée, et en forêt ombrophile qu’en forêt de bambous. L’ensemble des traits qui caractérisent S. scandens peut contribuer à expliquer sa plus grande capacité d’invasion, comparativement aux trois autres lianes. Deuxièmement, on a examiné les attributs des écosystèmes susceptibles de les rendre vulnérables à l’invasion. Les résultats suggèrent que les perturbations favorisent les invasions dans les écosystèmes. Les perturbations (coupes, feu, …) qui ont accompagné les conflits dans la zone du Parc sont, très probablement, le facteur ayant déclenché l’invasion. Enfin, le travail a examiné les impacts de l’invasion sur la biodiversité et la régénération des forêts. Les résultats montrent que, effectivement, S. scandens a un impact négatif, et que cet impact pourrait contribuer à renforcer le succès invasif de S. scandens (feed-back positif). Le travail aboutit à des recommandations pour la gestion du Parc. La gestion doit avant tout être préventive, c’est-à-dire i) empêcher de nouveaux déboisements et ii) éliminer S. scandens au tout début de son installation dans un site perturbé.

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une technique médicale incontournable permettant d'observer l'intérieur du corps de façon non invasive et non irradiante. L'IRM reste cependant connue pour souffrir d'une très faible sensibilité. Pour pallier cette limitation, une solution de choix est d'utiliser des espèces hyperpolarisées. Parmi les entités dont on peut augmenter la polarisation nucléaire et donc le signal RMN de plusieurs ordres de grandeur, le xénon se distingue par sa capacité à interagir avec son environnement proche, ce qui se traduit par une large gamme de déplacement chimique. L'objectif devient alors d'utiliser le xénon hyperpolarisé comme traceur. Le sujet de cette thèse porte sur le concept de sonde IRM 129Xe hyperpolarisé par laser pour la détection d'évènements biologiques. Dans cette approche, le xénon est vectorisé vers des cibles au moyen de systèmes hôtes fonctionnalisés puis détecté grâce à des séquences d'imagerie rapide. La conception et la mise au point d'un montage permettant la production de xénon hyperpolarisé par pompage optique par échange de spin sont décrites. Sont ensuite développées des études sur l'interaction du gaz rare avec de nouveaux cryptophanes susceptibles de constituer des molécules hôtes performantes. La mise en place de séquences IRM adaptées au caractère transitoire de l'hyperpolarisation et permettant l'utilisation optimale de l'échange du xénon dans les différents environnements est présentée. Des applications de biosondes IRM 129Xe pour la détection de cations métalliques et de récepteurs de surface cellulaire sont également décrites. Enfin, nos premiers résultats sur un modèle petit animal sont abordés.

La modélisation statistique de séquences homologues par HMM profils laisse de côté l'information phylogénétique reliant les séquences. Nous proposons ici des modèles combinant efficacement analyse longitudinale (séquences protéiques vues comme des enchaînements d'acides aminés) et verticale (séquences vues comme étant le produit d'une évolution le long des branches d'un arbre phylogénétique). De tels modèles appartiennent à la famille des phylo-HMM, introduite dans le courant des années 1990 (Mitchison& Durbin). Notre objectif étant la détection d'homologues distants dans les bases de données, nous décrivons une méthodologie de dérivation complète des paramètres des phylo-HMM profils basée sur la phylogénie: les modèles que nous proposons sont des HMM de reconstruction ancestrale,issus d'un processus d'inférence phylogénétique des positions conservées, des probabilités d'émission de caractères sur les états Match et Insertion, ainsi que des probabilités de transition entre états du HMM. Nous suggérons notamment une nouvelle modélisation pour l'évolution des transitions entre états du HMM, ainsi qu'un modèle de type Ornstein-Uhlenbeck pour l'évolution des longueurs des insertions. Contraintes évolutives et contraintes longitudinales sont ainsi simultanément prises en compte. Le processus d'apprentissage développé a été implémenté et testé sur une base de données de familles de séquences homologues,mettant en évidence des gains à la fois en termes de vraisemblance accrue des homologues distants et en termes de performance lorsqu'il s'agit de détecter ceux-ci dans les grandes bases de données protéiques

In this PhD, we present some algorithms and complexity results for two general problems that arise in the analysis of a metabolic network: the search for elementary modes of a network and the search for minimal precursors sets. Elementary modes is a common tool in the study of the cellular characteristic of a metabolic network. An elementary mode can be seen as a minimal set of reactions that can work in steady state independently of the rest of the network. It has therefore served as a mathematical model for the possible metabolic pathways of a cell. Their computation is not trivial and poses computational challenges. We show that some problems, like checking consistency of a network, finding one elementary mode or checking that a set of reactions constitutes a cut are easy problems, giving polynomial algorithms based on LP formulations. We also prove the hardness of central problems like finding a minimum size elementary mode, finding an elementary mode containing two given reactions, counting the number of elementary modes or finding a minimum reaction cut. On the enumeration problem, we show that enumerating all reactions containing one given reaction cannot be done in polynomial total time unless P=NP. This result provides some idea about the complexity of enumerating all the elementary modes. The search for precursor sets is motivated by discovering which external metabolites are sufficient to allow the production of a given set of target metabolites. In contrast with previous proposals, we present a new approach which is the first to formally consider the use of cycles in the way to produce the target. We present a polynomial algorithm to decide whether a set is a precursor set of a given target. We also show that, given a target set, finding a minimal precursor set is easy but finding a precursor set of minimum size is NP-hard. We further show that finding a solution with minimum size internal supply is NP-hard. We give a simple characterisation of precursors sets by the existence of hyperpaths between the solutions and the target. If we consider the enumeration of all the minimal precursor sets of a given target, we find that this problem cannot be solved in polynomial total time unless P=NP. Despite this result, we present two algorithms that have good performance for medium-size networks.

Trois nouvelles classes de stéroïdes triaromatiques ont été identifiés dans les roches et les pétroles du bassin de Paris par comparaison avec des substances synthétiques. Ces composés sont à la base du développement d'un nouvel indice de maturité dont l'application a été utile pour des problèmes de corrélation pétrole-roche mère.<br /><br />La synthèse de stéroïdes triaromatiques méthylés en position 2 (C21), 3 (C21, C27, C29) ou 6 (C21) a été effectué en plusieurs étapes à partir de la prégnénolone, du cholestérol ou du stigmastérol. Les structures des stéroïdes triaromatiques ont été confirmées par des expériences de découplage ou de corrélations spatiales par effet nucléaire Overhauser en RMN-1H à 200 MHz.<br /><br />Les stéroïdes triaromatiques méthylés en position 2, 3 ou 6 ont été identifiés dans les roches et les pétroles du bassin de Paris par comparaison de leurs données chromatographiques (CG) et spectrales (SM) avec les substances de synthèse. Leur formation dans le sous-sol à partir de précurseur stéroïdes triaromatiques (ou monoaromatique dans le cas du 6-méthyl) ne devient effective qu'à partir d'un certain degré de maturité. Elle est vraisemblablement due pour les composés 2-méthyl et 3-méthyl à une migration du groupement méthyle opérant sur l'isomère 4-méthyl et catalysée par les sites acides de la matrice minérale (argiles notamment). Toutefois une origine à partir de précurseurs comportant une fonction carbonée en position 2 ou 3 n'est pas exclue.<br /><br />Trois pétroles (Dogger, Domérien, Trias) et les extraits organiques de treize roches (Toarcien, Hettangien) du bassin de Paris ont été fractionnés par chromatographie (CC, CCM, CG, CLHP). Les fractions "alcanes", "alcanes ramifiés et/ou cycliques", "alcènes" et "aromatiques" ont été analysées par chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (CG-SM). La détection sélective de stéranes de même masse et de fragmentation analogue a été conduite par fragmentométrie de masse des transitions métastables. L'étude de la distribution des marqueurs biologiques présents dans les fractions organiques a donné plusieurs indications sur la nature de l'environnement de dépôt, la maturité des sédiments et la migration du pétrole de la roche-mère vers le réservoir. A cet égard un nouveau paramètre de maturité, l'indice des méthylstéroïdes triaromatiques (IMST), s'est avéré très utile pour établir des corrélations roches-roches ou roches-pétroles.

Ce travail de thèse s'inscrit dans une démarche visant à évaluer et améliorer les performances des moyens existants pour l'étude des interactions entre les champs électromagnétiques et le corps humain. Ces moyens sont les méthodes de caractérisation des propriétés électriques macroscopiques des milieux biologiques, et les méthodes numériques permettant de modéliser et de calculer les champs induits par des sources de rayonnements électromagnétiques dans le corps humain.<br />Une brève description des milieux biologiques permet d'abord de souligner les difficultés liées à leur caractérisation électrique. Les différentes méthodes de caractérisation existantes sont présentées en mettant en valeur leurs particularités dans les domaines fréquentiels où elles s'appliquent. Les valeurs de permittivité et de conductivité données dans la littérature sont présentées pour montrer leurs spécificités et le manque de connaissance sur leur précision. Une méthode de caractérisation classique par mesure d'impédance à 4 électrodes est ensuite étudiée en détail entre 10Hz et 10MHz. Le système de mesure réalisé est testé sur des solutions ioniques pour en établir des modèles complets prenant en compte les éléments pouvant affecter la précision des résultats. Ces modèles sont utilisés pour estimer l'erreur de mesure et pour optimiser la méthode de caractérisation à 10Hz et 10MHz.<br />Les différentes méthodes numériques permettant la modélisation des problèmes de calcul de champs induits dans le corps humain sont ensuite présentées. Les difficultés de la modélisation de l'exposition de l'homme aux champs électromagnétiques sont explicitées. Elles sont dues aux propriétés électriques et géométriques particulières du corps et à la diversité des sources de rayonnement. Les différentes formulations et conditions aux frontières du domaine de calcul spécifiquement applicables au problème sont détaillées. En utilisant la méthode des éléments finis et en supposant les propriétés électriques du corps connues, différents modèles (maillage, formulation, conditions aux frontières) sont enfin étudiés. Leurs performances sont évaluées sur des problèmes canoniques 2D et 3D représentatifs. Les résultats permettent d'évaluer l'erreur sur calcul des phénomènes induits et de faciliter le choix d'une modélisation adaptée sur la gamme de fréquence 10Hz-1GHz.<br />Le travail proposé vise principalement à donner des arguments pour justifier de la pertinence des résultats des études de l'interaction champs électromagnétiques/corps humain. Il peut aussi trouver des applications directes dans la caractérisation précise des milieux biologiques et dans l'établissement de nouvelles normes sur l'exposition des hommes aux champs électromagnétiques.

Dans cette thèse, trois calculs de processus sont étudiés et appliqués à l'analyse de processus biologiques : une variante du π -calcul introduite ici, le Iπ-calcul; le κ-calcul de Danos et Laneve et sa variante à grain plus fin, le mκ-calcul; et les systèmes réactifs bigraphiques de Milner. Le manuscrit comporte trois parties. <br />Dans la première partie, nous modélisons la transduction du signal, et plus spécifiquement le processus d'activation de la protéine "ras". On introduit une nouvelle extension du π-calcul, le Iπ-calcul, pour modéliser ce processus biologique en présence d'aberrance. Le calcul est obtenu en ajoutant deux actions aberrantes au Iπ-calcul. Le Iπ-calcul, quoique déjà assez expressif pour exprimer l'aberrance, peut être encore précisé par l'introduction d'informations supplémentaires dans la syntaxe, soit sous forme de "tags" soit sous forme de types. Les tags sont plus intuitifs, mais ils introduisent de la redondance, qui est éliminée dans la présentation de cette information sous forme de types. Nous montrons l'équivalence entre les deux espèces de décoration. Le système de types / tags présenté ici est très rudimentaire, mais notre espoir est de l'enrichir pour intégrer des paramètres quantitatifs tels que la température, la concentration, etc... dans la modélisation des processus biologiques.<br />Dans la seconde partie, nous abordons d'un point de vue formel la question de l'auto-assemblage dans le κ-calcul, un langage de description d'interactions protéine-protéine. Nous définissons un sous-ensemble de règles de calcul réversibles nous permettant d'assurer un codage sans blocage du calcul "à gros grain" (le κ-calcul) dans un calcul "à grain fin" (le mκ-calcul). Nous prouvons la correction de cette simulation de manière interne (à l'aide des règles réversibles), améliorant ainsi les résultats de Danos et Laneve.<br />Enfin, dans une partie plus prospective, nous suggérons comment l'on peut utiliser les bigraphes pour modéliser et analyser les processus biologiques. Nous montrons d'abord commment coder l'exemple "ras" dans ce formalisme. Puis nous indiquons sur un exemple comment l'on peut traduire le κ--calcul dans les bigraphes.

Une caractéristique des systèmes dynamiques complexes, qu'ils soient physiques ou naturels, est la présence de processus évoluant à différentes échelles de temps (dynamiques multiples) et de façon fortement non-linéaire. Nous nous plaçons dans le cas où l'évolution de chaque processus étudié est une série de mesures, ou bien est issue de la simulation de modèles numériques. Pour concevoir ou améliorer ces modèles en se basant sur l'échelle qui l'intéresse, l'utilisateur doit d'abord être capable de représenter l'évolution de chaque processus à plusieurs échelles, déterminées objectivement selon l'évolution elle-même. Ensuite, le choix d'une ou de plusieurs représentations doit être guidé par l'interprétation des caractéristiques dynamiques à chaque échelle de temps. Nous définissons une notion de granularité temporelle, exprimant le niveau de détail de la représentation. Ayant affaire à des processus biologiques dont la forme de l'évolution est plus informative pour l'utilisateur que les valeurs numériques précises, une représentation qualitative/quantitative est élaborée : une segmentation de l'évolution initiale en épisodes triangulaires (exprimant différentes formes de comportements locaux), puis l'abstraction successive de ces épisodes triangulaires en épisodes trapézoïdaux, conduisent à l'obtention de toutes les représentations possibles de l'évolution, et de toutes les échelles de temps associées. Le développement d'outils graphiques, symboliques et statistiques permet d'identifier et d'interpréter automatiquement les principales caractéristiques dynamiques du processus à n'importe quelle échelle de temps : équilibre, stabilité, périodicité, récurrence, comportements majoritaires, etc. Ces caractéristiques permettent de conseiller un choix d'échelles de temps et, par suite, de fréquences d'échantillonnage pertinentes. Une fonctionnalité suppl émentaire vise à identifier et à dissocier localement les composantes fréquentielles de l'évolution initiale. Des exemples d'interprétation sont donnés pour deux modèles biologiques. Les analyses sont confrontées à la connaissance experte d'un agronome pour la validation de la méthode. Ce travail a conduit à la conception du logiciel PARADISE (Process AbstRaction AnD Interpretation SystEm)

La bande de fréquences au voisinage de 60GHz (bande 57-64GHz) est en développement rapide pour les systèmes de communication sans fil à courte portée. Cependant, les rayonnements autour de 60GHz sont absents du spectre naturel et les organismes vivants n'y ont encore jamais été exposés dans les conditions environnementales. <br />Ce travail de thèse porte sur l'analyse des effets potentiels des rayonnements millimétriques de faible puissance au niveau cellulaire. Les études sont axées sur deux directions de recherche. Premièrement, nous avons considéré l'influence des ondes millimétriques à 60GHz sur la structure et les propriétés biophysiques des modèles artificiels des membranes biologiques. Deuxièmement, nous avons étudié l'influence du rayonnement millimétrique autour de 60GHz sur les modifications de l'expression génétique des protéines chaperones dans les cellules gliales du cerveau humain.