La construction du réseau de failles d'un domaine géologique à l'aide d'un logiciel de géomodélisation peut être longue et fastidieuse pour des géométries et des contacts de failles complexes et peu marqués sur les données de subsurface. En utilisant une représentation implicite de ces surfaces de faille par des champs de potentiel calculés sur un maillage tétraédrique, le processus de création d'un modèle structural a été totalement automatisé. Les contacts de failles sont détectés et des surfaces avec une géométrie cohérente au niveau des contacts sont construites. Les champs de potentiel permettent la modification du réseau de failles tout en préservant la cohérence géologique du modèle. Une technique développée ici permet également de corriger la géométrie d'un maillage tétraédrique à proximité des failles. Ainsi, de nouvelles informations ou interprétations ou des perturbations représentant les incertitudes sur la position des failles sont intégrées au modèle géologique / One of the first steps when a geological study area is modelled in three-dimensional geomodelling software is to build the fault network. This can be tedious and time-consuming when fault geometry and branching are complex and difficult to locate from sub-surface data. The process of creating a three-dimensional structural model from various data types was entirely automated by using an implicit representation of fault surfaces by level sets computed on a tetrahedral mesh. Fault branching is detected automatically and surfaces with coherent contact geometry are built. Using level sets for fault surfaces also enables easy editing of the fault network while maintaining the geological consistency of the model. A further tetrahedral mesh editing technique was developed during this PhD in order to modify mesh geometry close to faults. New information or interpretations or perturbations which represent geometrical uncertainty on faults can thus be integrated to the geological model

Le cadre général de cette thèse est une étude théorique par chimie quantique et dynamique moléculaire de la relation entre la structure et la fluorescence des protéines fluorescentes, en particulier, de la protéine fluorescente jaune (YFP). Dans cette protéine l'énergie de transition électronique est réduite par rapport à celle de la protéine fluorescente verte (GFP) en raison de l'empilement π entre le chromophore (la partie qui peut absorber et émetre de la lumiere visible au cœur de la protéine) et une tyrosine. Cet effet constitue la base de son utilité au laboratoire (transfert d'énergie par résonance «FRET» avec d’autres protéines). Ce travail comporte deux parties. D’une part, nous avons cherché à déterminer si un champ de force classique (ff99 de la suite AMBER) permet de représenter l’effet de π -stacking sur la dynamique à l’état excité. Pour cela nous avons effectué une série de calculs CASPT2 sur une grille de points. La conclusion est que la différence entre les surfaces d’énergie d’interaction résultant du champ de force et des calculs de chimie quantique CASPT2 ne semblent pas déterminante pour les propriétés de fluorescences.D’autre part, nous avons utilisé un modèle développé dans le groupe ThéoSim pour décrire le déclin à partir d’une série de dynamique (300ns) utilisant un champ de force classique. Cette méthode conduit à déterminer des paramètres en principe transférables d’une protéine fluorescente à une autre. Nous avons comparé la GFP et l’YFP. Cette approche ouvre la voie à une méthode rapide pour des propriétés de fluorescences pour de nouvelles protéines fluorescentes. Une prochaine étape serait d'améliorée la description du déclin radiatif utilisée dans ce modèle. / The general framework of this PhD is a theoretical study by quantum chemistry and molecular dynamics of the relationship between the structure and the fluorescence properties of fluorescent proteins, particulary, of the yellow fluorescent protein (YFP). In this protein, the electron transition energy is reduced with respect to that of the green fluorescent protein (GFP) as a result of a π stacking between the chromophore (the part that absorbs and emits visible light in the protein) and a tyrosine . This effect is the basis of the usefulness of YFP in the laboratory (resonance energy transfer "FRET" with other proteins).This study has two parts. First, we have tried to determine if a classical force field (ff99 of the AMBER suite) can represent the effect of π stacking on the dynamics in the excited state. For this goal, we performed a series of CASPT2 calculations on a grid of points. The conclusion is that the difference between the interaction energy surfaces resulting from the force field and the CASPT2 calculations does not seem decisive for the fluorescence properties. Second, we used a model developed in the ThéoSim group to extract the fluorescence decay time from a series of dynamics (300ns) using a classical force field. This method leads to the determination of parameters in principle transferable across fluorescent protein. We compared GFP and YFP. This approach opens the way to a fast method for determining fluorescence properties for new fluorescent proteins. A next step would be to improve the description of radiative decay used in this model.

La maladie de Parkinson (MP) est une maladie neurodégénérative affectant environ 1% des gens de plus de 60 ans. Le diagnostic de la maladie est clinique et repose sur l'observation des symptômes classiques tels que les tremblements de repos, la bradykinésie et la rigidité musculaire. Depuis maintenant près de 30 ans, les cliniciens peuvent profiter d'une alternative pour traiter les symptômes moteurs de la MP lorsque la médication est jugée inefficace ou ses effets secondaires trop handicapants pour le patient : la stimulation cérébrale profonde (SCP). Cette chirurgie repose sur l'insertion d'électrodes dans des noyaux profonds du cerveau, souvent les noyaux sous-thalamiques (NST), en s'appuyant sur la stéréotaxie pour établir l'emplacement optimal. Ces électrodes sont par la suite connectées à un stimulateur qui permet d'induire un courant électrique à haute fréquence dans la zone cible, selon des paramètres établis par le neurologue. Ce traitement non curatif permet d'améliorer la qualité de vie des patients et de diminuer les doses d'analogues dopaminergiques administrés tout en réduisant les effets secondaires qui y sont associés. L'objectif de la présente étude est d'identifier les changements cliniques, morphologiques et neurochimiques induits par la SCP chronique du NST. Ainsi, nous analyserons de façon détaillée les cerveaux de patients parkinsoniens ayant subi une SCP pendant 11 et 12 ans - deux des plus longues durées de stimulation répertoriées dans la littérature - afin de mieux comprendre les changements induits par une exposition chronique aux champs électriques. Le but ultime de notre travail est de corréler certaines de ces modifications anatomiques et neurochimiques aux différents impacts cliniques de la thérapie. Différentes suggestions seront faites concernant les mécanismes physiologiques de la SCP. Une meilleure compréhension du fonctionnement de cette méthode thérapeutique permettra de mieux cibler d'autres structures nerveuses impliquées dans différentes pathologies neurologiques, psychiatriques ou cognitives. / Parkinson's Disease (PD) is a neurodegenerative disorder affecting approximately 1% of people above 65 years old. Diagnosis is based on clinical evaluation, the patients typically presenting a combination of resting tremor, bradykinesia and muscular rigidity, sometimes accompanied by postural instability. For almost 30 years now, clinicians have been able to take advantage of an alternative therapy to alleviate PD motor symptoms when the medication is deemed ineffective or its side effects impair significatively the patient's condition. This therapeutic approach is called deep brain stimulation (DBS). The surgery implies the permanent insertion of electrodes into deep nuclei of the brain, usually the subthalamic nucleus (STN), relying on stereotaxic landmarks to establish the optimal target. Electrodes are subsequently connected to a stimulator to induce a high frequency electric current locally, according to parameters established by the neurologist. This non-curative therapy improves patient's quality of life and reduces the doses of dopaminergic analogues administered along with their side effects. The objective of this study is to identify the clinical, morphological and neurochemical changes induced by chronic STN-DBS. This case series will therefore focus on a detailed analysis of the brain of two PD patients who underwent DBS for 11 and 12 years, two of the longest stimulation durations ever reported in detail in the literature, in order to better understand the long-term changes induced by chronic exposure to electric fields. The ultimate goal is to correlate some of the anatomical and neurochemical changes to the clinical outcomes of the therapy. Various mechanisms will be proposed to improve the global understanding of deep brain stimulation to be able, in the long-term, to target other brain structures in order to treat other neurological, psychiatric or cognitive disorders.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2019-2020. / La polarisation de concentration et le colmatage membranaire sont deux problèmes communs en électrodialyse qui affectent l’intégrité des membranes et l’efficacité du procédé de déminéralisation du lactosérum doux. L’utilisation des champs électriques pulsés (CÉPs) est l’une des méthodes les plus prometteuses pour contrer ces phénomènes. Néanmoins, les CÉPs n’ont jamais été étudiés pour la déminéralisation de solutions alimentaires complexes comme le lactosérum doux. Sept combinaisons de CÉPs (0.1s-0.1s, 1s-0.1s, 1s-1s, 10s-0.1s, 10s-1s, 10s-10s et 100s-1s) ont été testées pour évaluer leur impact sur la déminéralisation du lactosérum doux en comparaison avec le procédé conventionnel d’électrodialyse en courant continu (CC). Par rapport au CC, il a été démontré que les CÉPs avec les plus hautes fréquences, tels que 0.1s-0.1s (5 Hz), amélioraient le taux de déminéralisation de 81 % pour le même nombre de charges transportées tout en diminuant l’énergie consommée de 20 % pour le même taux de déminéralisation. Quelle que soit la condition de CÉP testée, un gain en transfert de masse élevé a été observé au début de la période d’impulsion, ce qui causait une chute du potentiel électrique des membranes environ 10 fois plus élevée que les valeurs moyennes observées en CC. Ce gain rapide en transfert de masse, présent seulement au début de la période d’impulsion, a permis la formation de phénomènes complexes, semblables à ceux observés en régime de courant surlimite, tels qu’un glissement électroosmotique de second degré avec l’émergence de vortex électroconvectifs (VEC) et la dissociation des ions H+ des acides faibles. Les CÉPs de haute fréquence donnaient lieu à une répétition plus fréquente de ce gain, en plus d’avoir un temps de pause suffisamment court pour maintenir les vortex. Ainsi, malgré le temps de pause de la condition 0.1s-0.1s (la plus haute fréquence testée), sa durée de traitement totale a été la même que le CC pour atteindre le même taux de déminéralisation tout en diminuant les variations de pH et l’énergie consommée. / Concentration polarization phenomena and membrane fouling remain the most common problems in electrodialysis (ED) that alter irreversibly the membrane integrity and decrease the process performance. The use of pulsed electric field (PEF) in ED is one of the most promising methods to counteract these both types of limitations. Nevertheless, PEF-ED has never been studied for the demineralization of complex food solutions such as sweet whey. Seven PEF combinations (0.1s-0.1s, 1s-0.1s, 1s-1s, 10s-0,1s, 10s-1s, 10s-10s and 100s-1s) were tested to assess their impacts on the demineralization of sweet whey in comparison with the conventional continuous current (CC) process. It was shown that PEF with higher frequencies, such as 0.1s-0.1s (5 Hz), improve the demineralization rate by 81 % for the same number of charges transported while decreasing energy consumption by 20 % for the same demineralization rate in comparison with CC. Regardless of the PEF condition tested, a gain in mass transfer was observed at the beginning of the pulse lapse increasing the potential drop of membranes around 10 times higher than the average value observed in the case of CC. This high gain in mass transfer only present at the beginning of the pulse lapse allowed complex phenomena, similar to those observed in the overlimiting current regime, such as an electroosmotic slip of the second kind with the emergence of electroconvective vortices (ECV) and the dissociation of weak acids from their H+ ions. PEF conditions with higher frequencies have a more frequent repetition of this gain while having a pause lapse short enough to maintain the vortices. Hence, despite the pause lapse of the 0.1s-0.1s condition (the highest frequency tested), its duration was the same as the CC condition to reach the same demineralization rate, with lower pH variations and energy consumption.

Ce mémoire présente une méthode d’augmentation du champ de vue d’une caméra temps-de-vol commerciale. Cette augmentation étendrait leur utilisation dans certaines applications où la perception de l’environnement sur un large champ de vision est un critère, notamment en robotique mobile. La conception inclut l’ajout d’une lentille de conversion au système optique de la caméra infrarouge ainsi qu’une modification du système d’illumination. Dans le cas d’une Kinect V2, les capacités de reconstruction 3D ont été conservées pour une augmentation d’environ 50% du champ de vue, soit de 70°x60° à 106°x86°. Afin de tenir compte des modifications apportées au système optique, une calibration de la caméra a été effectuée. Le système modifié comporte une bonne précision (<1%) et une bonne exactitude (<1,5%). Ces résultats sont calculés avec 100 acquisitions en considérant un peu moins de 40% des pixels disponibles sur le senseur. Les performances diminuent rapidement en dehors de la zone centrale du senseur. Un compromis a été fait sur les performances du système afin d’augmenter son champ de vue. / This dissertation presents a method to increase the field of view of a commercially available time-of-flight camera. This increase could extend the field of application of such cameras, especially in mobile robotics where awareness of the surrounding is an important factor. The design includes a conversion lens added in front of the optical system and a modification to the illumination system. In the specific case of a Kinect v2, capability of 3D reconstruction has been preserved for an augmentation of 50% of the field of view, from 70°x60° to 106°x86°. To take into consideration the optical modifications, a calibration of the camera has been made. The modified system is characterised by a good precision (<1%) and a good accuracy (<1,5%). These results are calculated on slightly under 40% of the available pixels using 100 acquisitions. Performances decrease at a great rate outside of the central pixel zone. A trade-off has been made on the system performances in order to increase the original field of view.

Résumé Ce projet s’inscrit comme un effort de modélisation et de développement d’outils analytiques décrivant la focalisation non-paraxiale de champs électromagnétiques. Des solutions vecto- rielles sont développées, suivant une généralisation du formalisme intégral de Richards-Wolf. La thèse se scinde en deux principales avenues. La première consiste à décrire, en langage mathématique moderne, le formalisme de Richards-Wolf qui permet de décrire les champs électromagnétiques vectoriels au foyer de systèmes focalisants. Le formalisme est exploré et plusieurs solutions analytiques aux équations intégrales de Richards-Wolf sont introduites. La deuxième avenue consiste en la généralisation du formalisme de Richards-Wolf pour des systèmes à foyer étendu (par exemple, distribué sur une ligne). Utilisant une méthode com- binée, basée sur le tracé de rayon et le traitement intégral de la diffraction, le modèle permet une amélioration en trois volets des descriptions classiques des champs au foyer. En premier lieu, l’analyse vectorielle de la diffraction permet de s’affranchir de toute hypothèse paraxiale. En second lieu, l’analyse exacte et l’analogie rayon/onde plane uniforme permet d’éviter la description de systèmes à foyer étendu par des termes de phases aberrés, qui réduisent la robustesse du modèle et la justesse des solutions trouvées. Finalement, l’élégance analytique de la méthode permet une compréhension physique plus instinctive des phénomènes d’inter- férence au foyer de systèmes complexes et encourage le développement de méthodes inverses, permettant de retracer les conditions nécessaires à l’obtention d’un profil d’intensité et de phase données, sans a priori sur le système focalisant. Sur le plan concret, les outils mathématiques décrits et développés dans cette thèse permettent une avancée pour l’étude de phénomènes et le développement de technologies, notamment en microscopie à haute-résolution, mais également en stockage de données, en piégeage optique ou même en accélération de particules à l’échelle microscopique. Il s’agit de la première méthode systématique proposée pour calculer le profil de faisceaux focalisés par des sections coniques (sphères, ellipses, etc.) par des moyens analytiques. / This project is part of a global effort toward modelization and development of mathemat- ical tools describing non-paraxial focusing of electromagnetic fields. Vectorial solutions are proposed, according to a generalization of the Richards-Wolf formalism. The objective of this thesis is two-fold. The first part covers the Richards-Wolf formalism with a modern mathematical formulation, which permits the formal description of focused vectorial electromagnetic fields. An in-depth exploration of the theory is exposed and multiple analytical solutions of the integrals are given. The second part covers the generalization of the Richards-Wolf formalism to systems without a single-point focus, by combining geometrical optics and diffraction principles. The vectorial analysis agrees with the assumption of non-paraxial focusing while the development is free of constraints upon the existence of an optical focus. Finally, the analytical treatment helps forge a physical intuition of the electromagnetic solutions and the development of inverse methods, which would help find the necessary illumination upon a system to produce a given electromagnetic pattern near the focus. The mathematical tools presented in this thesis may lead to advances in high-resolution microscopy, data encryption, optical tweezers and particle acceleration.

L’équilibrage statique d’un manipulateur robotique apporte plusieurs avantages. Ceux-ci comprennent notamment : une diminution des efforts d’actionnement dans un contexte statique, l’augmentation de la charge utile, une commande simplifiée et un robot plus sécuritaire dans un contexte d’interaction avec un humain. Incorporer une telle technologie à un manipulateur existant est donc souhaitable. Par contre, les techniques actuelles ne permettent pas l’intégration facile d’une compensation statique. Pour répondre à cette problématique, une nouvelle technique d’équilibrage est développée dans ce mémoire. Le concept présenté se base sur l’interaction entre des champs magnétiques pour produire un couple. En utilisant des cylindres d’Halbach imbriqués, un couple sinusoïdal théorique correspondant parfaitement à une charge gravitationnelle est obtenu. Cette technique est générale et peut être adaptée à différents contextes. Dans ce mémoire, la géométrie est optimisée dans le but de maximiser le couple produit et la compacité du prototype. Les aimants résultants sont assez complexes. Cela dit, dans un concept pratique, ils peuvent être segmentés afin de simplifier leur fabrication et leur intégration. Afin de démontrer qu’une compensation statique magnétique est une solution viable, un prototype est intégré à un robot industriel existant. Les résultats obtenus prouvent que le module de compensation statique développé réduit significativement le couple d’actionnement requis et ils justifient la poursuite des travaux dans ce domaine.

La maladie de Parkinson (MP) est une maladie neurodégénérative affectant environ 1% des gens de plus de 60 ans. Le diagnostic de la maladie est clinique et repose sur l'observation des symptômes classiques tels que les tremblements de repos, la bradykinésie et la rigidité musculaire. Depuis maintenant près de 30 ans, les cliniciens peuvent profiter d'une alternative pour traiter les symptômes moteurs de la MP lorsque la médication est jugée inefficace ou ses effets secondaires trop handicapants pour le patient : la stimulation cérébrale profonde (SCP). Cette chirurgie repose sur l'insertion d'électrodes dans des noyaux profonds du cerveau, souvent les noyaux sous-thalamiques (NST), en s'appuyant sur la stéréotaxie pour établir l'emplacement optimal. Ces électrodes sont par la suite connectées à un stimulateur qui permet d'induire un courant électrique à haute fréquence dans la zone cible, selon des paramètres établis par le neurologue. Ce traitement non curatif permet d'améliorer la qualité de vie des patients et de diminuer les doses d'analogues dopaminergiques administrés tout en réduisant les effets secondaires qui y sont associés. L'objectif de la présente étude est d'identifier les changements cliniques, morphologiques et neurochimiques induits par la SCP chronique du NST. Ainsi, nous analyserons de façon détaillée les cerveaux de patients parkinsoniens ayant subi une SCP pendant 11 et 12 ans - deux des plus longues durées de stimulation répertoriées dans la littérature - afin de mieux comprendre les changements induits par une exposition chronique aux champs électriques. Le but ultime de notre travail est de corréler certaines de ces modifications anatomiques et neurochimiques aux différents impacts cliniques de la thérapie. Différentes suggestions seront faites concernant les mécanismes physiologiques de la SCP. Une meilleure compréhension du fonctionnement de cette méthode thérapeutique permettra de mieux cibler d'autres structures nerveuses impliquées dans différentes pathologies neurologiques, psychiatriques ou cognitives. / Parkinson's Disease (PD) is a neurodegenerative disorder affecting approximately 1% of people above 65 years old. Diagnosis is based on clinical evaluation, the patients typically presenting a combination of resting tremor, bradykinesia and muscular rigidity, sometimes accompanied by postural instability. For almost 30 years now, clinicians have been able to take advantage of an alternative therapy to alleviate PD motor symptoms when the medication is deemed ineffective or its side effects impair significatively the patient's condition. This therapeutic approach is called deep brain stimulation (DBS). The surgery implies the permanent insertion of electrodes into deep nuclei of the brain, usually the subthalamic nucleus (STN), relying on stereotaxic landmarks to establish the optimal target. Electrodes are subsequently connected to a stimulator to induce a high frequency electric current locally, according to parameters established by the neurologist. This non-curative therapy improves patient's quality of life and reduces the doses of dopaminergic analogues administered along with their side effects. The objective of this study is to identify the clinical, morphological and neurochemical changes induced by chronic STN-DBS. This case series will therefore focus on a detailed analysis of the brain of two PD patients who underwent DBS for 11 and 12 years, two of the longest stimulation durations ever reported in detail in the literature, in order to better understand the long-term changes induced by chronic exposure to electric fields. The ultimate goal is to correlate some of the anatomical and neurochemical changes to the clinical outcomes of the therapy. Various mechanisms will be proposed to improve the global understanding of deep brain stimulation to be able, in the long-term, to target other brain structures in order to treat other neurological, psychiatric or cognitive disorders.

La stimulation transcrânienne à courant direct (tDCS) est une technique d’électrostimulation non invasive qui fait actuellement l’objet d’études cliniques. Mon projet de maîtrise, ici présenté, visait à approfondir nos connaissances des mécanismes sous-jacents ces effets par l’application de champs électriques à courant direct (DCEFs), qui sont créés dans le cerveau pendant la stimulation, sur des cellules neuronales, microgliales et astrocytaires ainsi que sur des explants de l’aire tegmentale ventrale in vitro. Les résultats présentés suggèrent que les DCEFs promeuvent la régénération axonale des neurones. Ils proposent également que son utilisation ne réduise pas l'état d'activation de la microglie activée, mais puisse augmenter celle de la microglie quiescente à haute intensité. Finalement, les astrocytes sont fortement allongés perpendiculairement au DCEF. Les résultats supportent ainsi le potentiel neuroregénérateur de la tDCS qui lui était attribué et son utilisation ne modifierait pas l'état d'activation de la microglie. / Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a non-invasive electrostimulation technique studied used in clinical studies. My master's project, presented here, aimed to deepen our knowledge of the mechanisms of action underlying these effects by the application of direct current electric fields (DCEFs), which are produced during the stimulation, on neuronal, microglial and astrocytic cells and ventral tegmental area in vitro. The results presented suggest that DCEFs promote axonal regeneration in neurons. They also put forward that its usage does not reduce the activation state of activated microglial cells, but can increase it in quiescent microglial cells at high intensity. Finally, the astrocytes are strongly elongated perpendicularly to the DCEF. The results thus support the neuroregenerative potential it was attributed and its modification would not modify the microglia activation state.

La réfrigération est le mode de conservation couramment utilisé pour diminuer les pertes de produits végétaux. Cependant, certains produits végétaux comme la tomate ne tolèrent pas les basses températures. Des méthodes alternatives de conservation doivent être développées. Les champs magnétiques ont démontrés des effets désirables comme la promotion de la germination de graines et la stimulation de la croissance de plantes. L’objectif est d’étudier l’effet des champs magnétiques statiques sur les comportements de mûrissement et de sénescence des tomates. Les tomates exposées au champ magnétique étaient suivies pour plusieurs paramètres de mûrissement et sénescence (couleur, texture, intégrité de la membrane), résistance à la maladie et résistance à la blessure au froid. Nos résultats ne montrent pas d’effet des champs magnétiques sur le mûrissement et la sénescence des tomates. Les doses ainsi que la nature du champ magnétique utilisées pourraient être modifiées afin d’obtenir une interaction avec le métabolisme post-récolte de la tomate.