Le thème des travaux qui fait l'objet de ce mémoire de thèse s'inscrit dans le cadre de la caractérisation de systèmes biologiques par modèles non entiers. Cette thèse comporte deux parties qui reposent sur deux collaborations distinctes. La première s'appuie sur une collaboration avec le laboratoire Mouvement Adaptation Cognition de l'Université Bordeaux 2 et l'institut Magendie de l'Inserm. L'objectif de ce travail consiste à étudier l'influence la longueur du muscle sur sa dynamique dans les cas de variations statiques et dynamiques de cette grandeur. La deuxième collaboration est un projet original, en partenariat avec l'équipe Anesthésiologie-Réanimation II du CHU Haut-Lévêque ayant pour but l'identification de transfert thermique dans le poumon au cours d'opération à cœur ouvert, grâce à des mesures obtenues sur des poumons de mouton.

Résumé : Chez le sportif, le franchissement de plusieurs fuseaux horaires avec décalage horaire s'accompagne d'une fatigue avec somnolence diurne, d'une diminution des performances cognitives, sportives et de la vigilance. Une sieste de courte durée pourrait être une solution adaptée pour prévenir les effets du jet lag. A notre connaissance, aucune étude n'a évalué les effets d'une sieste et/ou les effets combinés du décalage horaire et d'une sieste sur les performances des athlètes.C'est pourquoi, l'objectif de cette thèse est d'étudier chez des athlètes, les effets d'une avance de phase de 5 heures (simulant un voyage transméridien vers l'Est) et d'une sieste post-prandiale de 20 minutes sur les réponses à un exercice physique de courte durée et à des tâches psychomotrices ainsi que sur le sommeil subséquent. Seize sujets jeunes, sains, de sexe masculin et sportifs (âge : 22.2 ± 1.7 ans ; taille : 178.3 ± 5.6 cm, poids : 73,6 ± 7,9 kg ; VC>2 max : 55.5 ± 9,1 ml.min.kg"' ; siesteurs non habituels) ont participé à cette étude. Aucun ne présentait de pathologie du sommeil. Chaque sujet a passé en laboratoire une nuit d'habituation et 8 nuits expérimentales dont 4 en condition normale (23H-7H, 2 nuits pré-tests et 2 post-tests) et 4 en avance de phase de 5 h ( 18H-2H, 2 nuits pré et 2 post-tests) avec enregistrement EEG continu. Après un repas standardisé au laboratoire, les sujets ont été soumis, entre 13 et 14H (condition normale), et entre 08 et 09H (condition de décalage), soit à une sieste (20 min de sommeil), soit à une période de repos en décubitus sans sommeil. A l'issue, les sujets ont réalisé un test de performance attentionnelle, évaluant 6 champs de l'attention, un test de Handgrip et un test Wingate avec mesure de la lactatémie en fin d'exercice et lors de la récupération. Ces mêmes tests ont été reconduits 2 heures plus tard dans le même ordre. La température rectale a été enregistrée par holter tout au long de la période expérimentale.Les résultats montrent que le décalage horaire modifie l'architecture du sommeil de la nuit pré tests avec un déficit de sommeil d"lh20, se traduisant par une moindre efficacité de sommeil. En revanche, ce décalage améliore la qualité du sommeil de la nuit subséquente (post-tests) avec une augmentation de la quantité du N3 et du sommeil paradoxal. Une baisse significative de l'amplitude de la température interne témoigne d'un réajustement actif des sujets. L'architecture de la sieste (stades 2 et 3) est similaire qu'elle ait lieu après une nuit normale ou après décalage horaire avec toutefois une quantité de SP qui tend à augmenter après la nuit en avance de phase. Elle n'a pas d'effets sur la composition du sommeil qui suit (condition normale ou en décalage), en dehors d'une augmentation de la latence d'endormissement en condition de décalage... / Purpose T he aim of thé study vvas to examine thé effects of a post-prandial 20 min nap on a short-term physicalexercise and subséquent sleep in athlètes keeping their usual sleep schedules and in 5-h phase-advance condition.Methods Sixteen healthy young mâle athlètes (âge 22.2 ± 1.7 years. non-habitual nappers) participated in thé study.After a baseline 8-h time in bed in normal and 5-h advanced sleep schedules, a standardized moming and lunch in alaboratory enviromnent, subjects undervvent either a nap (20 min of sleep elapsed from 3 epochs of stage 1 or 1 epochof stage 2), or a rest without sleep by lying in a bed, between 13:00 and 14:00 hours in non-shifted condition or 08:00and 09:00 hours in shifted condition, after vvhich anaerobic exercises were perforrned tvvice 2 h apart. Core bodytempérature vvas recorded throughout thé study period.Resuhs The nap extended sleep onset latency from6.72 ± 3.83 to 11.84 ± 13.44 min, after shifted condition but did not modify sleep architecture of thé post-trial nightamong athlètes, vvhether shifted or not. Moreover, napping did not improve physical performance but it delayedacrophase and batyphase of core body température rhythm pararneters.Conclusion N apping showed no reliable benefit on short-term performances of athlètes exercising at local time or aftera simulated jet lag.

Dans le cadre d'une action préventive, la mesure de la dose interne pulmonaire est plus pertinenteque la mesure de l'exposition atmosphérique car la dose interne est la quantité de toxique pouvantinteragir avec les cellules de l'épithélium respiratoire. En santé-travail, le dosage urinaire est fréquemmentutilisé mais il ne représente que le résultat final de l'épuration de multiples organes. Lecondensat d'air exhalé (EBC) est le liquide obtenu de façon non invasive après refroidissement del'air expiré d'un sujet au repos. Ce liquide est constitué de l'aérosolisation du liquide recouvrantl'épithélium respiratoire du compartiment alvéolaire et aussi du compartiment trachéobronchique oubronchique. Nous proposons d'utiliser l'EBC comme une approche alternative pour la surveillancebiologique des salariés. Les modèles cinétiques d'épuration pulmonaire actuels montrent que lesparticules déposées dans le compartiment alvéolaire ont une épuration très lente. Nous avons doncvoulu savoir si l'EBC était une matrice reflétant l'exposition pulmonaire en particules inhalées.Objectifs : 1) évaluer la faisabilité de la détection de particules minérales ou métalliques dans l'EBCde salariés exposés, 2) corréler la concentration de ces particules dans l'EBC avec les concentrationsatmosphériques de ces particules obtenues pendant le poste de travail et avec les dosages urinaires.Matériel et Méthode : Nous avons analysé les EBC de salariés issus de trois secteurs d'activitéprofessionnelle. La 1ère étude concernait un salarié d'une unité de broyage de muscovite atteintd'une infiltration pulmonaire diffuse. La 2ème étude était une étude " exposé/non-exposé "concernant un groupe de soudeurs utilisant la technique " metal inert gaz " (MIG). La 3ème étudeétait une étude " exposé/non-exposé " de salariés exposés à des composés solubles de bérylliumdans le secteur de l'aluminerie dans 2 entreprises différentes.RésultatsEtude n°1 : L'analyse minéralogique de l'EBC a retrouvé des particules ayant le même profil spectralen spectrométrie Raman que les particules prélevées dans l'atmosphère de l'entreprise. L'analyseminéralogique du parenchyme pulmonaire a montré la présence d'une concentration élevée departicules compatibles avec des particules de muscovite.Etude n°2 : Les concentrations de manganèse et de nickel dans l'EBC (Mn-EBC, Ni-EBC) dosées parICP-MS étaient significativement plus élevées chez les soudeurs que chez les témoins alors que cettedifférence n'était pas significative pour le Mn urinaire (Mn-U). Les concentrations de Mn-EBC et deNi-EBC ne sont pas corrélées avec leur concentration respective dans l'urine. Les régressionslinéaires ont trouvé des coefficients significativement positifs entre les concentrations de Mn-EBC,Ni-EBC, Ni-U et Cr-U et les indices d'exposition cumulée.Etude n°3 : Les concentrations de béryllium et d'aluminium dans l'EBC (Be-EBC, Al-EBC) étaientsignificativement plus élevées chez les sujets de l'entreprise n°1 que chez les témoins alors que leursconcentrations dans les urines ne l'étaient pas. Les régressions linéaires ont trouvé des coefficientssignificativement positifs entre les concentrations de Be-EBC et celle d'Al-EBC mais aussi entre lesconcentrations de Be-EBC et l'indice d'exposition cumulée. Les concentrations d'Al-EBC et Al-Uétaient significativement plus élevées chez les sujets de l'entreprise n°2 que chez les témoins. [...]

Le commensalisme est une association biologique au sein de laquelle le commensal obtient un avantage, alors que son hôte n'obtient ni avantage, ni désavantage. Ce type d'association est théorisé durant la seconde moitié du dix-neuvième siècle, notamment par Pierre-Joseph Van Beneden (1809-1894). Zoologiste belge, professeur à l'université de Louvain, il propose dans son ouvrage de 1875 intitulé Les commensaux et les parasites dans le règne animal, 264 exemples d'associations qu'il classe parmi le commensalisme. Ses travaux ont un retentissement majeur dans l'univers des zoologistes de son époque. Le concept de commensalisme perdure alors jusqu'au vingt-et-unième siècle et interroge sur les notions d'individualité, d'individuation et d'association. Notre étude porte non seulement sur le développement de ce concept au cours du dix-neuvième siècle, que nous démontrons par de nombreux documents inédits issus des archives de Pierre-Joseph Van Beneden, mais aussi sur la pérennité du concept jusqu'à nos jours. Le commensalisme est interprété comme un " marqueur " de l'émergence de nouvelles sciences du vivant : la microbiologie et l'écologie. Plus qu'un concept scientifique, le commensalisme apparaît alors comme un concept illustrant la complexité du vivant

La biologie des systèmes s'est beaucoup développée ces dix dernières années, confrontant plusieurs niveaux biologiques (molécule, réseau, tissu, organisme, écosystème...). Du point de vue de l'étude de l'évolution, elle offre de nombreuses possibilités. Cette thèse porte sur le développement de nouvelles méthodologies et de nouveaux outils pour étudier l'évolution des systèmes biologiques tout en considérant l'aspect multidimensionnel des données biologiques. Ce travail tente de palier un manque méthodologique évidant pour réaliser des études haut-débit dans le récent domaine de la biologie évolutionnaire des systèmes. De nouveaux messages évolutifs liés aux contraintes intra et inter processus ont été décrites. En particulier, mon travail a permis (i) la création d'un algorithme et un outil bioinformatique dédié à l'étude des relations évolutives d'orthologie existant entre les gènes de centaines d'espèces, (ii) le développement d'un formalisme original pour l'intégration de variables biologiques multidimensionnelles permettant la représentation synthétique de l' histoire évolutive d'un gène donné, (iii) le couplage de cet outil intégratif avec des approches mathématiques d'extraction de connaissances pour étudier les perturbations évolutives existant au sein des processus biologiques humains actuellement documentés (voies métaboliques, voies de signalisations...).

Nauclea latifolia Smith (Rubiaceae) est une plante aux vertus médicinales beaucoup plus connues en Afrique sub-saharienne dans la pharmacopée traditionnelle pour ses nombreuses activités pharmacologiques. N. latifolia Sm. est un arbre ou arbuste d'espèce soudano-sahélienne ; ses zones d'abondance sont principalement l'Afrique Occidentale et Centrale. Sa large utilisation en médecine traditionnelle , nous a incités à réaliser une enquête ethnobotanique et un screening phytochimique afin de mettre en cohérence les prescriptions et les activités potentielles des constituants chimiques présents. Les principales classes de métabolites secondaires, principalement les alcaloïdes, les flavonoïdes, les tanins, les stérols et terpéniques ont été recherchés dans les feuilles, écorces et racines de la plante. N. latifolia Sm. de par la présence des nombreuses familles chimiques, possède des activités biologiques intéressantes. Les extraits d'alcaloïdes totaux issus des 3 organes de la plante, ont prouvé une activité anticancéreuse. Ces extraits inhibent la prolifération des cellules cancéreuses mammaires MCF-7. Outre l'activité antitumorale, les extraits alcaloïdes de N. latifolia Sm. agissent contre la douleur. Ils inhibent en effet de la douleur après injection de l'acide acétique à 0,6 % chez la souris. Cependant, N. latifolia Sm. se présente comme une plante aux nombreux médicaments. Au regard de ces activités biologiques intéressantes, il convient de mener des investigations intenses pour enrichir la production des Médicaments Traditionnels Améliorés (MTA).

L'étude des effets biologiques des radiations ionisantes à l'échelle de la cellule individuelle et en particulier sur l'ADN du noyau cellulaire reste un enjeu majeur de la radiobiologie actuelle. L'objectif principal des recherches actuelles est de déterminer quels peuvent être les effets biologiques délétères des radiations ionisantes pour la santé humaine, en particulier dans le domaine des faibles doses de radiation. Afin d'étudier précisément la réponse des cellules aux radiations ionisantes, de nombreuses études expérimentales des effets des radiations ionisantes sur les cellules, tissus et organismes biologiques aux basses énergies ont accumulées de grandes quantités de données de qualité sur la réponse de cellules aux radiations. Il existe également de nombreux modèles semi-empiriques de survie cellulaire qui incorporent des paramètres biologiques et physiques. En parallèle, des stochastiques basées sur la technique " Monte Carlo " pour modéliser les processus élémentaires en physique, chimie et biologie sont en cours de développement. L'outil Geant4 développé dès 1993 (CERN et KEK) en utilisant des techniques informatiques de dernière génération (C++) permet à l'utilisateur de construire une simulation complète grâce à de nombreuses fonctionnalités : formes géométriques, matériaux, particules élémentaires, processus physiques électromagnétiques et hadroniques, visualisation, analyse de données, interactivité et extensibilité... Cependant, Geant4 présente un certain nombre de limitations pour la simulation des effets biologiques des radiations ionisants à l'échelle subcellulaire : les modèles standard ne prennent pas compte le technique " pas-à-pas ", les modèles physique sont limités à basse énergie, il n'a pas des descriptions des cibles moléculaires et Geant4 n'est pas capable de simuler les étapes physico-chimique et chimique nécessaire pour déterminer l'oxydation des bases et les éventuelles cassures d'ADN.Dans ce contexte, le projet Geant4-DNA propose d'étendre Geant4 afin de modéliser les interactions des radiations ionisantes à l'échelle de la cellule biologique et la molécule d'ADN et aux basses énergies. Au cours du travail de thèse, j'ai tout d'abord validé les modèles physiques en comparant les résultats de simulation à une grande collection de données expérimentales disponibles dans la littérature. L'accord entre les valeurs de sections efficaces totales et différentielles et les mesures expérimentales a été quantifié à l'aide du test statistique Kolmogorov-Smirnov. J'ai par la suite amélioré les classes des processus de diffusion élastique des électrons et travailler sur les calculs théoriques du modèle de diffusion élastique des protons et des alphas dans l'eau liquide auparavant inexistant dans Geant4-DNA. J'ai effectué une combinaison des processus multi-échelles des modèles de Geant4-DNA (à l'échelle microscopique) avec les modèles électromagnétiques disponibles dans l'outil Geant4 (les processus d'interaction des photons et autres modèles de Geant4). A la fin de mon travail, j'ai participé à l'estimation des performances de Geant4-DNA pour la dosimétrie dans des géométries de petite taille (jusqu'à l'échelle du nanomètre) dans l'eau liquide à l'aide des distributions " Dose Point Kernel ". J'ai ensuite calculé les fréquences de dépôts d'énergie dans des petits cylindres de dimensions nanométriques correspondant à des cibles biologiques et des modèles de noyau cellulaire humain simplifié pour l'estimation des cassures directes simple et double. Mon travail de thèse a fournit les premiers résultats de Geant4-DNA pour la prédiction de cassure de brin d'ADN combinant physique et géométries à l'échelle de l'ADN. Enfin, nous avons développé des classes de processus et modèles basés sur l'approche CTMC-COB (Classical Trajetory Monte Carlo avec critère d'Over Barrier) spécifique aux bases de la molécule d'ADN et à l'eau liquide.

Ce travail de thèse s'inscrit au carrefour de l'Automatique, de l'Intelligence Artificielle et des Biotechnologies. Il cherche à développer une méthodologie de modélisation et de commande qui repose sur une approche par logique floue. La première partie du travail présente une introduction aux principes et techniques mises en Suvre dans les stations d'épuration actuelles, et met en évidence la difficulté de modélisation des différents phénomènes mis en jeu. A partir de ce constat, dans une deuxième partie, focalisée sur la modélisation et la commande floues, nous développons d'abord l'identification de modèles flous affines de type Takagi-Sugeno (TS) à partir de données entrées-sorties. Nous considérons différentes méthodes de coalescence floue et une méthode d'agglomération compétitive, robuste en présence de bruit. Ce type d'approche " boîte grise " permet une représentation à base de règles qui approxime la dynamique non linéaire comme une concaténation de sous-modèles localement linéaires sous la forme d'auto-régression non-linéaire (NARX). De plus, nous avons développé une version graphique de la boîte à outils pour la modélisation floue des systèmes (FMIDg). Ensuite, nous proposons une commande floue TS sous-optimale linéaire quadratique adaptée à la structure du modèle flou identifié, en utilisant la philosophie de commande du type compensation parallèle distribuée (PDC). La méthodologie globale est finalement testée et validée en simulation sur un bioprocédé aérobie de dépollution des eaux usées.

Les structures poreuses tridimensionnelles fonctionnelles possèdent un fort potentiel dans de nombreuses applications biomédicales. Nous avons ainsi orienté nos travaux vers l'élaboration de nouveaux matériaux capables de répondre à plusieurs critères pour l'ingénierie tissulaire osseuse. Du fait de leur biodisponibilité, leur biocompatibilité et leur biodégradabilité, les poly(3-hydroxyalcanoate)s (PHAs) présentent des propriétés particulièrement adaptées pour ce type d'application. Dans un premier temps, nous avons développé de nouvelles stratégies contrôlées, rapides et aisées, de synthèse de copolymères à blocs à base de PHAs ainsi que de production d'oligoesters par activation sous micro-ondes. Par ailleurs, l'absence d'effet " non-thermique " des micro-ondes sur la polymérisation par ouverture de cycles du D,L-lactide a également été démontrée grâce à une investigation systématique. Dans un second temps, l'élaboration de divers matériaux tridimensionnels nanofibreux par électrofilage (" electrospinning ") a été réalisée afin de fabriquer des structures à base de PHAs de différentes morphologies avec la formation de fibres dans une large gamme de diamètres ou encore avec des topographies de surface contrôlées (nanopores ou rainures). Plusieurs stratégies de fonctionnalisation superficielle ont été également mises au point telles que le dépôt de nanoparticules d'hydroxyapatite selon un procédé original couplant les techniques de l' " electrospinning " et de l' " electrospraying ", ou encore le " co-electrospinning " de la gélatine. De nouvelles approches de couplage covalent de molécules en surface des fibres de PHAs par chimie " click " ou par ouverture de fonctions époxyde préalablement introduites ont également été développées. Enfin, des investigations biologiques in vitro ont permis de mettre en lumière les potentialités de ces nouveaux matériaux nanofibreux comme supports de culture cellulaire à travers l'évaluation de l'adhérence, la prolifération et la différentiation de cellules souches mésenchymateuses humaines (hMSCs) pluripotentes vers un phénotype ostéoblastique

Pour mieux saisir les liens complexes entre génotype et phénotype, une méthode utilisée consiste à étudier les relations entre différents éléments biologiques (entre les protéines, entre les métabolites...). Celles-ci forment ce qui est appelé un réseau biologique, que l'on représente algorithmiquement par un graphe. Nous nous intéressons principalement dans cette thèse au problème de la recherche d'un motif (multi-ensemble de couleurs) dans un graphe coloré, représentant un réseau biologique. De tels motifs correspondent généralement à un ensemble d'éléments conservés au cours de l'évolution et participant à une même fonction biologique. Nous continuons l'étude algorithmique de ce problème et de ses variantes (qui admettent plus de souplesse biologique), en distinguant les instances difficiles algorithmiquement et en étudiant différentes possibilités pour contourner cette difficulté (complexité paramétrée, réduction d'instance, approximation...). Nous proposons également un greffon intégré au logiciel Cytoscape pour résoudre efficacement ce problème, que nous testons sur des données réelles.Nous nous intéressons également à différents problèmes de génomique comparative. La démarche scientifique adoptée reste la même: depuis une formalisation d'un problème biologique, déterminer ses instances difficiles algorithmiquement et proposer des solutions pour contourner cette difficulté (ou prouver que de telles solutions sont impossibles à trouver sous des hypothèses fortes)