Cette thèse concerne les stratégies de recherches de cible dites intermittentes, qui alternent des phases lentes permettant la détection de la cible, et des phases rapides sans détection. Un exemple à l'échelle macroscopique est celui d'animaux en quête de nourriture. Nous en proposons un modèle, alternatif aux célèbres stratégies de Lévy, et montrons analytiquement que le temps moyen de recherche peut être minimisé en fonction des durées moyennes de chaque phase. Un premier exemple à l'échelle microscopique est celui de la recherche par des protéines de cibles sur l'ADN. Nous calculons analytiquement la distribution de la distance parcourue le long de l'ADN lors d'une excursion 3D, l'adaptons à une expérience de molécule unique et montrons que les trajectoires observées combinent des diffusions 1D et 3D. Un autre exemple cellulaire concerne le transport actif de vésicules, qui diffusent ou se lient à des moteurs assurant un déplacement balistique. Nous optimisons la constante cinétique dans un modèle général de réaction limitée par ce type de transport. Finalement, ces stratégies intermittentes pourraient constituer un mécanisme de recherche générique. Nous étudions de manière systématique l'influence de la modélisation de la phase de détection et de la dimension de l'espace, et montrons que l'optimalité des stratégies intermittentes est un résultat robuste.

Cette thèse présente une approche phénoménologique des membranes <>, ces bicouches de lipides sur lesquelles sont greffées des macromolécules. Les membranes poilues sont des systèmes biomimétiques qui permettent d'appréhender le couplage entre la courbure de la membrane et l'organisation bidimensionnelle des macromolécules. Dans une première partie, nous mettons en évidence les forces exercées par des chaines polymères greffées sur la membrane, qui tendent à courber cette dernière. Un paramètre important que prend en compte ce travail est la fluidité de la bicouche lipidique. Cette propriété permet au manteau de polymère de s'adapter aux contraintes exercées sur la membrane. Ainsi, une courbure locale engendre la réorganisation à grande échelle des polymères. Par ailleurs, une étude préparatoire montre que la coexistence de la membrane poilue avec des polymères en solution ne modifie pas qualitativement ces résultats. La seconde partie est consacrée à l'étude de macromolécules greffées dans la membrane par plusieures ancres. Ces dernières sont modélisées par des chaînes polymères en bon solvant. Nous établissons le catalogue des différentes conformations qu'une chaîne peut adopter, ainsi que la déformation qui en découle. Nous montrons ainsi que l'effet du polymère sur la membrane domine la courbure spontanée. Le polymère devient alors un paramètre de contrôle maniable de l'état de surface de la membrane.

Cette thèse présente une approche phénoménologique des membranes <>, ces bicouches de lipides sur lesquelles sont greffées des macromolécules. Les membranes poilues sont des systèmes biomimétiques qui permettent d'appréhender le couplage entre la courbure de la membrane et l'organisation bidimensionnelle des macromolécules. Dans une première partie, nous mettons en évidence les forces exercées par des chaines polymères greffées sur la membrane, qui tendent à courber cette dernière. Un paramètre important que prend en compte ce travail est la fluidité de la bicouche lipidique. Cette propriété permet au manteau de polymère de s'adapter aux contraintes exercées sur la membrane. Ainsi, une courbure locale engendre la réorganisation à grande échelle des polymères. Par ailleurs, une étude préparatoire montre que la coexistence de la membrane poilue avec des polymères en solution ne modifie pas qualitativement ces résultats. La seconde partie est consacrée à l'étude de macromolécules greffées dans la membrane par plusieures ancres. Ces dernières sont modélisées par des chaînes polymères en bon solvant. Nous établissons le catalogue des différentes conformations qu'une chaîne peut adopter, ainsi que la déformation qui en découle. Nous montrons ainsi que l'effet du polymère sur la membrane domine la courbure spontanée. Le polymère devient alors un paramètre de contrôle maniable de l'état de surface de la membrane.

L'imagerie optique extrinsèque basée sur l'utilisation de colorants sensibles aux potentiels (VSD) est actuellement la seule technique de neuroimagerie offrant la possibilité d'observer l'activité d'une large population de neurones avec une forte résolution spatiale et temporelle. Dans cette thèse, notre but est d'étudier les origines biologiques du signal d'imagerie optique (signal VSD), étant donné que cette question reste sans réponse claire dans la littérature. Identifier l'origine du signal VSD est difficile au niveau physiologique car les molécules de colorant reflètent la dynamique du potentiel de membrane de toutes les membranes du tissu cortical, incluant toutes les couches corticales, tous les types de cellules (excitatrices, inhibitrices, gliales) et tous les compartiments neuronaux (somas, axons, dendrites). Pour répondre à cette question, nous proposons dans cette thèse d'utiliser un modèle biophysique de colonne corticale, à une echelle mésoscopique, prenant en compte les paramètres neuronaux biologiques connus de la structure corticale. Le modèle est basé sur un microcircuit cortical à six populations de neurones interconnectés: une population excitatrice et une population inhibitrice dans chacune des trois principales couches du cortex. Chaque neurone est représenté par une structure morphologique réduite à compartiments avec une dynamique de type Hodgkin-Huxley. Le modèle est alimenté par une activité spontanée, des connexions latérales et une entrée thalamique d'intensité croissante. Les neurones isolés et le comportement en réseau ont été ajustés pour correspondre à des données publiées dans la littérature. Le modèle ainsi ajusté offre ainsi la possibilité de calculer le signal VSD avec une formule linéaire. Nous avons validé le modèle en comparant le signal VSD simulé et le signal VSD mesuré expérimentalement. Grâce à la construction compartimentale de ce modèle, nous confirmons et quantifions le fait que le signal VSD est le résultat d'une moyenne de plusieurs composantes, avec comme contribution majeure, l'activité dendritique des neurones excitateurs des couches superficielles du cortex. Le modèle suggère également que les neurones inhibiteurs, l'activité supraliminaire et les couches profondes participent également au signal, et ce de manière dépendante du temps et de la force de la réponse. Nous arrivons à la conclusion que le signal VSD possède une origine multicomposante dynamique et proposons un nouveau formalisme pour l'interpréter.

Cette étude présente un modèle biophysique de fonctionnement de culture capable de traduire la dynamique de l'évolution de tout couvert végétal, sous différentes conditions abiotiques du milieu (température, eau et rayonnement) mais aussi de sols et de climats. L'approche développée pour le suivi de la cinétique de croissance et de développement des couverts reste très proche de la réalité physiologique de leurs fonctionnements mais aussi de celle liée aux interventions humaines qui se trouve alors compatible avec l'échelle de notre modélisation. Alors que l'utilisation d'une simple loi linéaire d'action de la température par les modèles de fonctionnements des cultures permet de prendre en partie l'effet de l'action de la température sur une gamme assez limitée de température active des espèces végétales, l'approche, assez originale, adoptée dans ce modèle permet l'utilisation d'une vraie loi d'action de la température sur les différents processus biologiques liés au développement et à la croissance, valable sur toute la gamme des températures biologiquement actives. Aussi, cette approche très générique permet de suivre la cinétique des vitesses d'évolution de toutes entités d'une plante, quelque que soit l'espèce ou la variété, et de travailler à n'importe quelle échelle de temps (jour, heure). L'adaptation du modèle logistique (largement utilisé pour décrire les processus biologiques) au contexte physiologique des plantes a permis une description assez originale de la dynamique de la croissance en fonction du développement, prenant en compte à tout moment l'effet d'une contrainte du milieu et sa rétroaction sur la dynamique d'évolution du couvert. La régulation de la croissance a été possible dans ce modèle de développement-croissance à travers la modulation de sa vitesse de croissance (processus le plus sensible au stress) en fonction de deux stress les plus importants chez les végétaux, soit l'eau et le rayonnement. A partir d'un petit nombre de paramètres facilement abordable en bibliographie, il est possible de caractériser la dynamique d'évolution de tout type de couvert végétal évaluant en conditions de sol et de climat variés. Couplé au modèle de bilan hydrique Bilhyna, ce dernier est capable de fonctionner sous différentes situations du milieu, conditions pluviales limitantes notamment, et de gérer ainsi le manque d'eau avec des apports possibles par irrigation de complément où limitées aux besoins tout au long de la croissance intègre alors la rétroaction d'une contrainte du milieu sur la dynamique de l'évolution du couvert. Pour étudier notre modèle, nous avons confronté dans un premier temps les sorties du modèle de loi d'action de la température sur les vitesses de développement aux résultats expérimentaux concernant les cultures du Lin, du maïs et du blé, issus de plusieurs travaux d'auteurs assez connus et tirés de la bibliographie. La confrontation des résultats modèle-mesures a donné des résultats très satisfaisants. Nous avons dans une seconde partie confronté les sorties de l'ensemble du modèle biophysique couplé à bilhyna aux mesures expérimentales que nous avons réalisé au champ sur une période de cinq années, et portant sur deux cultures : le sorgho et du blé. Nous avons ainsi suivi l'évolution de la dynamique de ces couverts à travers leurs trois composantes (LAI, la hauteur du couvert et la profondeur de ses racines) de même que celle des stocks d'eau du sol durant toute la période de la croissance des cultures. Les résultats de la confrontation des sorties du modèle avec les mesures expérimentales ont été assez satisfaisants. [Suite et fin du résumé dans la thèse].

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

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

Pour faire face à la saturation du spectre électromagnétique en matière de communications sans fil, les groupes industriels dominant le marché développent de nouveaux appareils de télécommunications sans fil, qui offriront un débit très élevé combiné à une meilleure confidentialité. Ces systèmes fonctionneront dans des bandes de fréquences autour de 60 GHz, naturellement absentes du spectre électromagnétique environnemental, ce qui suscite des interrogations légitimes quant à leur innocuité. Ce travail de thèse porte sur l'analyse des effets potentiels des rayonnements millimétriques sur la physiologie de la cellule. Nous avons tout d'abord étudié les effets des ondes millimétriques par le biais d'études in vitro, en utilisant différents modèles de cultures de cellules humaines, exposés à différents temps et à différentes fréquences, notamment celles correspondantes à des résonances de groupement moléculaires, comprises entre 57 et 64 GHz. Nous avons étudié l'impact potentiel de ces ondes sur un organite cellulaire, le réticulum endoplasmique, connu pour être sensible à son environnement et impliqué dans de nombreuses pathologies. Nous avons ensuite étudié les effets de la variation de puissance sur des processus physiologiques concernant le réticulum endoplasmique mais aussi sur la synthèse de protéines spécifiques liées à la réponse inflammatoire. Enfin, par la technique de puces à ADN, nous avons réalisé une approche transcriptomique à haut débit, portant sur l'ensemble du génome, afin de déterminer l'existence de gènes cibles sensibles à des expositions aux ondes millimétriques. Plusieurs gènes candidats ont été sélectionnés et serviront de biomarqueurs.

Cette thèse a pour but l'analyse de la dynamique de facteurs de transcription dans le noyau. Les interactions entre molécules nucléaires dans des cellules vivantes ont été décrites comme étant suffisamment transitoires pour que la dynamique de ces molécules puisse être considérée comme étant de la diffusion effective [MISTELI2001, PHAIR]. Etant donné la géométrie des chemins possibles dans le noyau et la haute densité de ce compartiment en molécules diverses, il a été démontré par de nombreux calculs que la diffusion est non seulement le moyen de transport la moins gourmande en énergie, mais également la plus efficace. Ceci nous mène à nous demander comment la cellule permet de contrôler son état transcriptionnel global au vu de la nature stochastique du déplacement de ces facteurs de transcription. Jusqu'à présent, la recherche de cible a été souvent étudiée en utilisant le " temps de premier passage ", c'est-à-dire le temps que met une particule diffusant librement pour atteindre sa cible. Dans le cas d'un compartiment aussi complexe que le noyau, où de nombreuses interactions non spécifiques peuvent avoir lieu, et avec une quantité limitée de protéines distribuées de façon homogène, le temps nécessaire pour qu'une protéine trouve sa cible est en complet décalage avec l'efficacité à laquelle fonctionnent les systèmes biologiques.

L'électroperméabilisation est un procédé fondé sur l'application d'impulsions électriques qui peuvent induire une perméabilisation réversible de la membrane plasmique de cellules vivantes. En d'autres termes: si vous soumettez une cellule à des impulsions électriques d'amplitude et de durée judicieusement choisies, vous serez alors en mesure d'introduire dans son cytoplasme des molécules d'intérêt autrement incapables de traverser son enveloppe externe, et ce sans affecter sa viabilité. Cette technique a donné lieu à diverses applications, notamment dans le cadre de la lutte contre le cancer ou des thérapies géniques. Comportant moins de risques que les méthodes de transfection virales ou chimiques, son usage est de plus en plus répandu dans la communauté médicale. Cependant, les processus de réorganisation de la membrane, au niveau microscopique, sont encore méconnus et sujets à débat. Une meilleure description de ces phénomènes permettrait d'améliorer l'efficacité et la sécurité des protocoles de traitement. Une stratégie possible pour accroître notre compréhension de l'électroperméabilisation consiste en la réalisation d'expériences sur des systèmes modèles. Cette thèse aborde l'étude de l'effet d'impulsions électriques perméabilisantes de longue durée (quelques millisecondes) sur des systèmes lipidiques artificiels, des vésicules unilamellaires géantes. Il est décrit comment ce travail sur systèmes modèles a contribué à améliorer notre compréhension fondamentale de l'électroperméabilisation, mais aussi comment il a donné lieu à deux catégories d'applications: le chargement de vésicules avec des macromolécules et la mesure de grandeurs physiques caractéristiques des bicouches lipidiques, les tensions de bord. Ces recherches comportent aussi un aspect de modélisation de l'entrée dans des cellules électroperméabilisées de différentes molécules, via la résolution numérique d'équations aux dérivées partielles gouvernant l'évolution de leur concentration. Cette partie apporte des éléments de réponse visant à expliquer les différences observées expérimentalement entre le transfert de petites et de macromolécules.