Les abondances relatives naturelles des différents isotopes stables de l'azote (δ15N) varient selon les tissus au sein d'un individu et selon les individus au sein d'une population, et ces différences reflètent à la fois les caractéristiques de structure et de fonctionnement du métabolisme azoté et ses modulations en lien avec des variations des conditions nutritionnelles et physio-pathologiques. Cette thèse vise, à travers une approche couplée d'expérimentation et de modélisation, à mieux caractériser et comprendre les modulations des δ15N des différents pools azotés et à démontrer la capacité des δ15N à fournir des informations sur les flux azotés de l'organisme, leurs valeurs et modulations, qui sont encore mal connus. Nous avons, dans un premier temps, mesuré les δ15N dans plusieurs tissus (intestin, foie, plasma, muscles, rein, peau...) et dans différentes fractions azotées (acides aminés, protéines, urée, NH4) chez le rat, dans différentes conditions nutritionnelles (chez des rats nourris avec des P de qualité différente, les protéines de lait et de soja) ou physiopathologiques (chez des rats présentant ou non un syndrome métabolique, associant insulino-résistance et obésité, après avoir consommé un même régime potentiellement obésogène). Ces données expérimentales nous ont permis (i) de montrer que l'écart de δ15N entre les protéines tissulaires et le régime est plus important lorsque la qualité protéique est moindre, et (ii) de mettre en évidence que, lors de l'initiation précoce d'un syndrome métabolique associant insulino-résistance et obésité, les δ15N de certains pools métaboliques sont modulés et constituent des signatures isotopiques des modulations métaboliques associées. Par ailleurs, grâce à l'analyse par modélisation compartimentale des cinétiques de δ15N mesurées expérimentalement dans les fractions acides aminés et protéines de différents tissus après augmentation du δ15N du régime, nous avons pu estimer les taux de renouvellement protéique tissulaires et explorer la structure et le fonctionnement des échanges entre acides aminés et protéines des différents tissus et comparer leur degré de compartimentation. Enfin, nous avons développé un modèle multi-compartimental reproduisant l'ensemble des flux azotés inter- et intra-organes de l'organisme et rendant compte des variations de δ15N observées. Cette représentation globale du métabolisme azoté fournit une vision novatrice du fonctionnement intégré du métabolisme azoté dont les données éparses de la littérature ne donnaient auparavant qu'une vision parcellaire et fragmentée. Le modèle a permis de reconstituer les mécanismes qui conduisent à l'observation de différences de δ15N entre pools azotés, de mieux comprendre quelles modulations sont les plus susceptibles d'affecter les δ15N, avec quelle amplitude et dans quel sens, et finalement d'expliquer les variations de δ15N mises en évidence expérimentalement en terme de modulation des flux azotés. L'ensemble de nos résultats d'expérimentation et de modélisation démontre la capacité des δ15N à apporter des informations sur les flux métaboliques azotés et souligne l'intérêt prometteur de cette approche nouvelle pour acquérir une compréhension intégrée du système complexe du métabolisme azoté inter- et intra-organes et des processus homéostatiques qui le régulent et de ses dérégulations pré-pathologiques. / Natural abundances of stable nitrogen isotopes vary among tissues within an individual and among individuals within a population, and these differences are linked to the structural and functioning characteristics of the nitrogen metabolism and also to its modulations in response to variations in nutritional and physiological conditions. In this thesis, we developed an approach combining both experimentation and modeling, in order to better characterize and understand the modulations in the δ15N values of various nitrogen metabolic pools, and to show the capacity of the δ15N to provide information regarding the values and modulations of the body nitrogen fluxes, that are still poorly determined. We first measured the δ15N in various tissues (intestine, liver, plasma, muscle, kidney, skin …) and in various nitrogen fractions (amino acids, proteins, urea, NH4) in rats, under different nutritional (i.e. in rats fed with P of distinct quality, that were milk and soy P) or pathophysiological (i.e. in rats that had or not become obese and insulin resistant after being fed a high-fat diet for 10 weeks). From these experimental data, we showed (i) that the tissue nitrogen discrimination (i.e., the difference between tissue and diet δ15N) is higher when the P is of lesser quality, and (ii) that, during the onset of a metabolic syndrome, in the presence of both insulin resistance and obesity, the δ15N differed in some nitrogen pools and thus constitute isotopic signatures of the metabolic impact of such conditions. In this thesis, we also measured the δ15N kinetics in the amino acid and protein fractions of several tissues after a shift in the diet δ15N. The analysis of these kinetics, using a compartimental modeling approach, enabled us to estimate tissue fractional turnover rates and to investigate the structure and the functioning of the protein synthesis and breakdown exchanges in some tissues and their level of compartmentation. Lastly, we developed a multi-compartmental model that describes the various body nitrogen transfers between and within tissues and accounts for the observed δ15N variability. This model of the nitrogen metabolism provides a new and systemic insight of the interactions and modulations of the various nitrogen fluxes, as opposed to the fragmented information available from the literature data. This model enabled us to reconstruct the mechanisms that caused the observed δ15N differences between nitrogen pools, to better understand how they vary, depending on which metabolic modulation and with which amplitude, and finally to hypothesize which nitrogen fluxes alterations are the more likely to be responsible for the δ15N variations that we observed in our experimentations. In conclusion, our experimental and modelling results show that it is feasible to gain information from the δ15N values regarding the metabolic nitrogen fluxes and their modulations, and highlight the interest of this new approach to get an integrated insight into the complex nitrogen metabolic system and a better understanding of the way the various between and within tissues nitrogen fluxes are regulated and altered.

>Magister Scientiae - MSc / In this thesis, we investigate the HIV/AIDS epidemic in a population which experiences a significant flow of immigrants. We derive and analyse a math- ematical model that describes the dynamics of HIV infection among the im- migrant youths and intervention that can minimize or prevent the spread of the disease in the population. In particular, we are interested in the effects of public-health education and of parental care.We consider existing models of public-health education in HIV/AIDS epidemi-ology, and provide some new insights on these. In this regard we focus atten-tion on the papers [b] and [c], expanding those researches by adding sensitivity analysis and optimal control problems with their solutions.Our main emphasis will be on the effect of parental care on HIV/AIDS epidemi-ology. In this regard we introduce a new model. Firstly, we analyse the model without parental care and investigate its stability and sensitivity behaviour.We conduct both qualitative and quantitative analyses. It is observed that in the absence of infected youths, disease-free equilibrium is achievable and is asymptotically stable. Further, we use optimal control methods to determine the necessary conditions for the optimality of intervention, and for disease eradication or control. Using Pontryagin’s Maximum Principle to check the effects of screening control and parental care on the spread of HIV/AIDS, we observe that parental care is more effective than screening control. However, the most efficient control strategy is in fact a combination of parental care and screening control. The results form the central theme of this thesis, and are included in the manuscript [a] which is now being reviewed for publication. Finally, numerical simulations are performed to illustrate the analytical results.

In translational medicine, complementary functional and morphological imaging techniques are used extensively to observe physiological processes in vivo and to assess structural changes as a result of disease progression. The combination of magnetic resonance imaging (MRI) and positron emission tomography (PET) provides excellent soft tissue contrast from MRI with exceptional sensitivity and specificity from PET. This thesis explores the use of sequentially acquired PET and MR images to improve the quantification of small animal PET data. The primary focus was to improve image-based estimates of the arterial input function (AIF), which defines the amount of PET tracer within blood plasma over time. The AIF is required to produce physiological parameters quantifying key processes such as metabolism or perfusion from dynamic PET images. The gold standard for AIF measurement, however, requires serial blood sampling over the course of a PET scan, which is invasive in rat studies but prohibitive in mice due to small total blood volumes. To address this issue, the geometric transfer matrix (GTM) and recovery coefficient (RC) techniques were applied using anatomical MR images to enable the extraction of partial volume corrected image based AIFs from mouse PET images. A non-invasive AIF extraction method was also developed for rats, beginning with the optimization of an automated voxel selection algorithm to assist in extracting MR contrast agent signal time courses from dynamic susceptibility contrast (DSC) MRI data. This procedure was then combined with dynamic contrast enhanced (DCE) MRI to track a combined injection of Gadolinium-based contrast agent and PET tracer through the rat brain. By comparison with gold standard tracer blood sample data, it was found that normalized MRI-based AIFs could be successfully converted into PET tracer AIFs in the first pass phase when fitted with gamma variate functions. Finally, a MR image segmentation method used to provide PET attenuation correction in mice was validated using the Cambridge split magnet PET/MR scanner?s transmission scanning capabilities. This work recommends that contributions from MR hardware in the PET field of view must be accounted forto gain accurate estimates of tracer uptake and standard uptake values (SUVs). This thesis concludes that small animal MR data taken in the same imaging session can provide non-invasive methods to improve PET image quantification, giving added value to combined PET/MR studies over those conducted using PET alone.

La bioéquivalence, une mesure de substitution de l'innocuité et de l'efficacité à différents stades du processus de développement des médicaments, est tout particulièrement importante lors du développement d'un médicament générique. Entre autres critères, la bioéquivalence garantit que les médicaments génériques sont équivalents aux produits innovateurs ou de références approuvés en termes d’efficacité clinique et d’innocuité tout en contournant le long cours et le coût élevé des essais chez les animaux et des essais cliniques chez les patients exigés pour les médicaments innovants. Malgré les avancées dans le développement d'approches robustes au cours des dernières décennies, la pratique actuelle de la bioéquivalence fait toujours l'objet de controverses. Le but de cette thèse est d'explorer certaines de ces controverses et de les aborder en proposant des approches nouvelles et alternatives. L'une des questions les plus controversées dans la pratique actuelle de la bioéquivalence est l'extrapolation des résultats d'études de bioéquivalence d'une population à une autre. La majorité des études de bioéquivalence portant sur des formes pharmaceutiques orales efficaces par voie systémique reposent sur les critères de pharmacocinétique obtenus chez des sujets sains, alors que la population cible est constituée de patients. Ceci est basé sur l'hypothèse que si deux produits sont bioéquivalents dans une population, ils devraient l'être dans une autre. L'extrapolation des résultats des études de bioéquivalence ne se limite pas à celle des sujets sains aux patients. Depuis 2007, une proportion croissante d'études de bioéquivalence pharmacocinétique portant sur des soumissions génériques nord-américaines ou européennes a été réalisée auprès de populations géographiques/ethniques autres que celles visées, en raison du coût moins élevé de ces études en dehors de l'Amérique du Nord et de l'Europe. Dans le premier volet de cette thèse, nous avons examiné si les résultats de la bioéquivalence obtenus dans une population géographique ou ethnique pouvaient être extrapolés à une autre. À cette fin, nous avons extrait les résultats des études de bioéquivalence pharmacocinétique disponibles publiquement et provenant de soumissions génériques à Santé Canada et à la Food and Drug Administration des États-Unis. Pour dix médicaments différents, nous avons calculé l'effet d’un repas normalisé sur le produit de référence et comparé les résultats obtenus chez deux populations ethniques, les indiens et les nord-américains. Cette approche novatrice est basée sur le raisonnement suivant: si l'effet d’un repas sur le produit de référence est le même chez les populations indienne et nord-américaine, le produit générique et sa référence qui se sont révélés bioéquivalents dans la population indienne devraient également l'être dans la population nord-américaine. Pour 90% des médicaments à l'étude, une différence statistiquement significative a été détectée entre les deux populations après un repas. Pour 30% de ces médicaments, la différence s'est révélée d'une pertinence clinique possible. Les résultats de cette étude ont mis en évidence que l’extrapolation des résultats de bioéquivalence d’une population à l’autre devrait possiblement être reconsidérée pour certains médicaments. Les défis dans le contexte de la bioéquivalence ne se limitent pas toujours aux études pivots où la performance d’un produit générique est comparée à celle de la référence. En effet, une étude pilote peut être menée afin d’établir un protocole d’étude approprié pour cette étude pivot. Par conséquent, les résultats inexacts provenant d'une étude pilote, tels qu'une estimation imprécise du moment ou de la durée d’administration optimale de la dose lors de la comparaison du produit testé par rapport à la référence, pourront affecter négativement les résultats de l’étude de bioéquivalence. Ceci est particulièrement crucial pour les produits indiqués pour un usage topique dermatologique dont les corticostéroïdes constituent un cas d’espèce. En effet, leur bioéquivalence est démontrée par une mesure pharmacodynamique, le blanchiment cutané, à différents temps après application topique. L’intensité du blanchiment est comparée entre le produit générique et le produit de référence à une durée d’administration spécifique d’une dose donnée, la DD50, soit la durée associée à 50% de l’effet maximal observé. Par conséquent, cette durée d’administration de la dose doit d’abord être déterminée dans le cadre d’une étude pilote. L’agence réglementaire américaine recommande l’utilisation d’une approche populationnelle basée sur la modélisation non linéaire à effets mixtes pour l'estimation de la DD50 et ce, quelle que soit la méthode d'analyse. Étant donné qu’il existe différents types de méthodes d’analyse non linéaire à effets mixtes, chaque commanditaire peut en choisir une différente. Dans le deuxième volet de cette thèse, nous avons examiné si les mêmes estimations de DD50 pouvaient être obtenues en utilisant différentes méthodes non linéaires à effets mixtes. À cette fin, nous avons ajusté les données de blanchiment de la peau d’onze études avec deux méthodes non linéaires à effets mixtes différentes : le maximum de vraisemblance avec maximisation de l’espérance (MLEM) et l'estimation conditionnelle de premier ordre (FOCE). Les résultats ont favorisé MLEM, compte tenu d’une meilleure puissance discriminative pour l’estimation de la DD50 de population et d’une meilleure minimisation de la variabilité interindividuelle. Bien que l'approche de la bioéquivalence fondée sur la pharmacocinétique ait contribuée de manière significative au développement de versions génériques de haute qualité des formes pharmaceutiques orales indiquées pour un effet systémique, la disponibilité de versions génériques pour les produits dermatologiques topiques demeure limitée et ce, par manque de méthodes acceptées par les agences réglementaires pour l'évaluation de la bioéquivalence de ces produits. Dans le troisième volet de cette thèse, une nouvelle approche pour l’évaluation de la bioéquivalence de formulations de crème topique d’acyclovir a été développée en utilisant une analyse basée sur un modèle de données d’exposition locales récupérées à partir d’échantillons de peau abrasée prélevés à une seule durée d’administration de la dose, la DD50 à l’aide de bandes adhésives. Un seul échantillonnage de peau effectué à la DD50 a non seulement assuré que les données pharmacocinétiques étaient recueillies à la durée d’administration de la dose ayant le meilleur pouvoir discriminant pour détecter une différence au niveau des formulations, mais a également permis de diminuer considérablement le nombre d'échantillons à analyser. Et surtout, cette nouvelle approche a permis de générer un profil pharmacocinétique au niveau même de la peau. Ce faisant, nous avons pu utiliser l'analyse compartimentale populationnelle et contourner les nombreuses hypothèses et calculs sophistiqués requis par les méthodes précédentes. Notre approche a également permis de générer de nouveaux paramètres pharmacocinétiques permettant de décrire la vitesse et le degré d’exposition cutanée pour l'évaluation de la biodisponibilité et de la bioéquivalence topiques. Finalement, cette méthode a le potentiel de discerner une formulation bioéquivalente d’une autre qui ne l’est pas. / Bioequivalence is a surrogate measure of safety and efficacy in different stages of drug development process with the most pronounced significance in the development of generic drugs. Bioequivalence, among other standards, ensures that generic drugs are equivalent to their approved innovator or reference products in terms of clinical efficacy and safety while circumventing the lengthy-time course and high cost of animal and clinical trials in patients required for innovator drugs. Despite the advancements in development of robust bioequivalence approaches over the past decades, there are still controversies in the current practice of bioequivalence. The aim of this thesis is to explore some of these controversies and address them by putting forward new and alternative approaches. One of the most controversial issues in the current practice of bioequivalence is the extrapolation of bioequivalence study results from one population to another. The majority of bioequivalence studies for systemic effective oral dosage forms are conducted based on pharmacokinetic endpoints in healthy volunteers whilst the targeted population is patients. This is based on the assumption that if two products are bioequivalent in one population, they should be bioequivalent in another one. The extrapolation of bioequivalence study results is not limited to that from healthy volunteers to patients. Since 2007, an ever-increasing proportion of pharmacokinetic bioequivalence studies for North American or European generic submissions have been performed in geographical/ethnic populations other than the intended ones, due to the lower cost of these studies outside North America and Europe. In the first part of this thesis, we investigated whether the bioequivalence results obtained in one geographical or ethnic population can be extrapolated to another one. To this purpose, we extracted pharmacokinetic bioequivalence studies results from generic submissions to Health Canada and the US Food and Drug Administration. We calculated food effect for ten different reference drug products and compared the results for each product between two ethnic populations, Indians and North Americans. This is based on the reasoning that if food effect is found to be the same between the Indian and North American populations, then the generic product and its reference that were found to be bioequivalent in the Indian population should also be bioequivalent in North American population. For 90% of the study drugs, statistically significant difference was detected in the food effect between two populations. For 30% of these drugs, the difference was found to be of possible clinical relevance. The results of this study raised a flag for extrapolating the bioequivalence results from one population to another. Challenges in the context of bioequivalence are not always limited to the pivotal studies where the performance of a generic product is compared to that of Reference. Prior to pivotal bioequivalence studies, a pilot study may be conducted to establish an appropriate study design for the pivotal bioequivalence study. Therefore, inaccurate results from a pilot study, such as inaccurate estimation of time point or dose duration for comparison of test versus reference, can affect the bioequivalence outcomes adversely. An example to this case is the comparison of the extent of skin blanching, the pharmacological effect of generic versus reference products of topical dermatological corticosteroids at specific dose duration, DD50, where the effect is half maximal. This dose duration should initially be determined in a pilot study. The US FDA 1995 Guidance document recommends the use of non-linear mixed effect population modeling for the estimation of DD50, irrespective of the method of analysis. Given the availability of different types of non-linear mixed effect modeling methods, each sponsor could choose a different one. In the second part of this thesis we investigated whether the same DD50 estimates can be obtained when different non-linear mixed effect modeling methods are used. To this purpose, we fitted the skin blanching data from eleven studies with two different non-linear mixed effect modeling methods, the Maximum Likelihood Expectation Maximization (MLEM) and the First Order Conditional Estimation (FOCE). The results favored MLEM given its lower population DD50 estimates that would locate in a more discriminative portion of the Emax curve and better minimization of inter-individual variability. Although the pharmacokinetic-based bioequivalence approach has contributed significantly to the development of high-quality generic versions of systemic effective oral dosage form, the availability of generic versions of topical dermatological products remains constrained due to the limited methods accepted for bioequivalence evaluation of these products. In the third part of this thesis, a novel approach for the bioequivalence assessment of topical acyclovir cream formulations was developed based on the model-based analysis of local exposure data recovered from tape stripping of the skin at a single dose duration, DD50. Conducting the stripping procedure only at DD50 not only ensured that the PK data was collected at the dose duration that is most discriminative of formulation differences, but it also decreased the number of samples to be analyzed significantly. More importantly, our novel approach in generating the local PK profile in the skin (dermatopharmacokinetic profile) and the implementation of population compartmental analysis circumvented the numerous assumptions and sophisticated calculations that were inherent to previous methods, while yielding the PK parameters relevant for topical bioavailability and bioequivalence assessment (rate and extent of exposure to the skin). This method successfully concluded bioequivalence and its absence.

MSc (Microbiology) / See the attached abstract below

Le parasitisme est omniprésent dans l’environnement et une attention croissante est récemment apportée sur son impact sur les communautés écologiques. En effet, les parasites peuvent affecter la valeur adaptative des animaux sauvages, en altérant leur physiologie et/ou leur comportement. Ainsi, le rôle des parasites dans le maintien ou l’érosion des différences persistantes comportementales et cognitives entre individus est le sujet de nombreux débats et recherches. La relation entre l’infection parasitaire et le comportement de l’hôte est souvent complexe. Le comportement des individus agit sur leur susceptibilité au parasitisme, mais l’infection parasitaire peut aussi modifier le comportement de l’hôte, favorisant parfois la transmission du parasite. En outre, l’inclusion d’un proxy de santé, tel que la condition corporelle est importante à considérer dans des populations naturellement infectées où la santé des individus peut varier. Dans cette étude, nous avons examiné la relation entre un gradient de densité parasitaire, la personnalité (exploration et témérité), la cognition (apprentissage par stimuli aversifs) et la condition corporelle (Indice K de Fulton) chez les crapets-soleil (Lepomis gibbosus) sauvages, naturellement infectés par des endoparasites, comme le trématode responsable de la maladie du point noir (Trematoda : Apophallus sp. et Uvulifer sp.) et le ver solitaire de l’achigan (Cestoda : Proteocephallus ambloplites). Nous avons trouvé que l’exploration, mais pas la témérité, était répétable ce qui suggère que ce trait reflète la personnalité. De plus, l’exploration a diminué avec l’augmentation de la densité de parasites et la diminution de la condition corporelle de l’hôte. Ainsi, étant donné que la relation entre le comportement explorateur et la densité de parasites variait avec la condition corporelle, il est possible que les parasites aient un effet indirect sur le comportement de l’hôte en impactant sa physiologie. L’exploration variait également selon la densité de points noirs et la densité de cestodes, suggérant un potentiel conflit entre ces deux parasites, leurs hôtes finaux étant différents. Les individus avec plus de cestodes ont moins bien exécuté la tâche d’apprentissage, ce qui laisse à penser que ces parasites imposeraient un coût énergétique qui réduit les performances cognitives de l’hôte. Nos résultats contribuent à démontrer que les parasites et la condition corporelle de l’hôte doivent être pris en considération dans les études écologiques, comportementales ou physiologiques afin de mieux comprendre le maintien des variations inter-individuelles au sein des populations sauvages. / Parasites are ubiquitous in nature and increasing attention is given to their impact on ecological communities. Indeed, parasites can affect host fitness through changes in physiology and/or behaviour. Thus, their role in maintaining or eroding persistent inter-individual differences in behaviour (i.e. personality) and cognitive abilities in hosts is the subject of increasing study and debate. The relationship between parasite infection and host behaviour can sometimes be complex. For instance, personality traits may affect an individuals’ susceptibility to parasites. Conversely, parasite infection can itself modify host behaviour, sometimes favouring the parasite’s own transmission. In addition, including a general fitness proxy, such as body condition, is important when studying naturally infected populations, where individual health can vary greatly among individuals. Here, we examine the relationships among host body condition (Fulton’s K index), personality (i.e. exploration, boldness), cognition (aversive learning) and parasite density in wild pumpkinseed sunfish (Lepomis gibbosus), naturally infected with endoparasites, including trematodes causing blackspot disease (Trematoda: Apophallus sp. and Uvulifer sp.) and bass tapeworms (Cestoda: Proteocephallus ambloplites). We found that exploration but not boldness was repeatable, which suggests that this trait reflects personality. Host exploration decreased with both increasing parasite density and decreasing host body condition. Because the relationship between exploration and parasite density varied with body condition, this suggests a possible indirect effect of parasites on host behaviour through effects on host physiology. Exploration varied depending on blackspot and bass tapeworm density suggesting a possible conflict between these two parasites, as their final hosts are different. Inhibitory avoidance learning decreased with increasing cestode density, suggesting that these parasites could impose an energetic cost which decreases host cognitive performances. Our results provide more evidence that including host body condition and parasite density in ecological, behavioural or physiological studies can help better understand the persistence of inter-individual differences in wild populations.

Dans la première partie de cette thèse, nous avons mis en place un métamodèle de transmission du paludisme basé sur la modélisation compartimentale susceptible-infecté-résistant (SIR) et prenant en compte les flux de mobilité humaine entre différents villages du Centre Sénégal. Les stratégies d’intervention géographiquement ciblées, s’étaient avérées efficaces pour réduire l’incidence du paludisme aussi bien dans les zones d’intervention qu’à l’extérieur de ces zones. Cependant, des actions combinées ciblant à la fois le vecteur et l’hôte, coordonnées à large échelle sont nécessaires dans les régions et pays visant l’élimination du paludisme à court/moyen terme.Dans la deuxième partie nous avons évalué différentes méthodes d’estimation de la mobilité humaine en l’absence de données individuelles. Ces méthodes incluaient la traçabilité spatio-temporelle des téléphones mobiles ainsi que les modèles mathématiques de gravité et de radiation. Le transport de l’agent pathogène dans l’espace géographique, par la mobilité d’un sujet infecté est un déterminant majeur de la vitesse de propagation d’une épidémie. Nous avons introduit le modèle d’impédance qui minimise l’erreur quadratique moyen sur les estimations de mobilité, en particulier dans les contextes où les ensembles de population sont caractérisés par leurs tailles hétérogènes.Nous avons enfin élargi le cadre des hypothèses sous-jacentes à la calibration des modèles de gravité de la mobilité humaine. L’hypothèse d’une distribution avec excès de zéros a fourni un meilleur ajustement et une meilleure prédictibilité, comparée aux hypothèses classiques n’assumant pas un excès de zéros : Poisson, Quasipoisson. / In the first part of this thesis, we have developed a malaria transmission metamodel based on the susceptible-infected-resistant compartmental modeling framework (SIR) and taking into consideration human mobility flows between different villages in the Center of Senegal. Geographically targeted intervention strategies had been shown to be effective in reducing the incidence of malaria both within and outside of intervention areas. However, combined interventions targeting both vector and host, coordinated on a large scale are needed in regions and countries aiming to achieve malaria elimination in the short/medium term.In the second part we have evaluated different methods of estimating human mobility in the absence of real data. These methods included spatio-temporal traceability of mobile phones, mathematical models of gravity and radiation. The transport of the pathogen through the geographical space via the mobility of an infected subject is a major determinant of the spread of an epidemic. We introduced the impedance model that minimized the mean square error on mobility estimates, especially in contexts where population sets are characterized by their heterogeneous sizes.Finally, we have expanded the framework of assumptions underlying the calibration of the gravity models of human mobility. The hypothesis of a zero inflated distribution provided a better fit and a better predictability, compared to the classical approach not assuming an excess of zeros: Poisson, Quasipoisson.

Les maladies infectieuses représentent aujourd’hui un problème majeur de santé publique. Devant l’augmentation des résistances bactériennes, l’émergence de nouveaux pathogènes et la propagation rapide de l’épidémie, le suivi et la surveillance de la transmission de la maladie devient particulièrement importants. Face à une telle menace, la société doit se préparer à l'avance pour réagir rapidement et efficacement si une telle épidémie est déclarée. Cela nécessite une mise en place des dispositifs de suivi et de prévention. Dans ce contexte, nous nous intéressons, dans le présent travail, à l’élaboration d’un Système d’Information Décisionnel Spatio-temporel pour le suivi et la surveillance du phénomène de propagation de l’épidémie de la grippe saisonnière au sein de la population de la ville d’Oran (Algérie). L’objectif de ce système est double : il consiste, d’une part, à comprendre comment l’épidémie se propage par l’utilisation du réseau social Small World (SW) et du modèle à compartiments d’épidémie SEIR (Susceptible-Exposed-Infected-Removed), et d’autre part, à stocker dans un entrepôt les données multiples tout en les analysant par un outil d’analyse en ligne de donnée Spatiale dit SOLAP (Spatial On-Line Analytical Processing). / Today, infectious diseases represent a major public health problem. With the increase of bacterial resistance, the emergence of new pathogens and the rapid spread of epidemic, monitoring and surveillance of disease transmission becomes important. In the face of such a threat, the society must prepare in advance to respond quickly and effectively if an outbreak is declared. This requires setting up monitoring mechanisms and prevention.In this context, we are particularly interested by development a Spatiotemporal decision support system for monitoring and preventing the phenomenon of seasonal influenza epidemic spread in the population of Oran (city at Algeria).The objective of this system is twofold: on one hand, to understand how epidemic is spreading through the social network by using SEIR (Susceptible-Exposed-Infected-Removed) compartmental model within Small World network, and on the other hand, to store multiple data in data warehouse and analyzing it by a specific online analysis tool Spatial OLAP (Spatial on-line Analytical Processing).

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The dynamics of many aspects of social behaviour, such as spread of fads and fashion, collective action, group decision-making, homophily and disagreement, have been captured by mathematical models. The power of these models is that they can provide novel insight into the emergent dynamics of groups, e.g. 'epidemics' of memes, tipping points for collective action, wisdom of crowds and leadership by small numbers of individuals, segregation and polarisation. A current weakness in the scientific models is their sheer number. 'New' models are continually 'discovered' by physicists, engineers and mathematicians. The models are analysed mathematically, but very seldom provide predictions that can be tested empirically. In this work, we provide a framework of simple models, based on Lotka's original idea of using chemical reactions to describe social interactions. We show how to formulate models for social epidemics, social recovery, cycles, collective action, group decision-making, segregation and polarisation, which we argue encompass the majority of social dynamics models. We present an open-access tool, written in Python, for specifying social interactions, studying them in terms of mass action, and creating spatial simulations of model dynamics. We argue that the models in this article provide a baseline of empirically testable predictions arising from social dynamics, and that before creating new and more complicated versions of the same idea, researchers should explain how their model differs substantially from our baseline models. / Matematiska modeller kan hjälpa oss att förstå många typer av sociala fenomen, som ryktesspridning, spridning av memes, gruppbeslut, segregation och radikalisering. Det finns idag otaliga modeller för sociala beteenden hos människor och djur, och fler presenteras kontinuerligt. Det stora antalet modeller försvårar navigering inom forskningsfältet, och många av modellerna är dessutom komplicerade och svåra att verifiera genom experiment. I detta arbete föreslås ett ramverk av grundläggande modeller, som var och en modellerar en aspekt av socialt beteende; det gäller sociala epidemier, cykler, gemensamt handlande, gruppbeslut, segregation och polarisering. Vi menar att dessa modeller utgör majoriteten av de verifierbara aspekter av socialt beteende som studeras, och att de bör behandlas som en utgångspunkt när en ny modell ska introduceras. Vilka av mekanismerna från utgångspunkten finns representerade i modellen? Skiljer den sig ens nämnvärt från utgångspunkten? Genom att ha en god förståelse för grundmodellerna, och genom att förklara på vilket sätt en ny modell skiljer sig från dem, kan forskare undvika att presentera modeller som i praktiken är mer komplicerade varianter av sådana som redan finns. I detta arbete visar vi hur dessa grundläggande modeller kan formuleras och studeras. Modellerna bygger på enkla regler om vad som händer när individer i en befolkning möter varandra. Till exempel, om en person som har vetskap om ett rykte träffar någon som inte har det, kan ryktet spridas vidare. Därför har antaganden om vilka personer som kan träffa varandra stor påverkan på de resultat som modellerna ger. I detta arbete studeras varje modell med två olika metoder: i den ena har alla personer i befolkningen samma sannolikhet att träffa varandra, i den andra representeras befolkningen av ett rutnät, där varje plats motsvarar en individ. I den senare har alltså varje person ett begränsat antal grannar att interagera med. Vilken av dessa två metoder man väljer har stor betydelse för vilka beteenden modellerna förutspår. Som ett komplement till detta arbete presenteras ett verktyg i form av ett Python-program som utför analysen av modellerna. Detta kan användas för att undersöka grundmodellerna som presenteras i detta arbete, men också för att formulera och analysera nya modeller på samma sätt. På det viset kan nya modeller enkelt jämföras mot grundmodellerna. Verktyget är användbart både som introduktion för de som är nya inom social dynamik, men också för de forskare som som vill ta fram nya modeller och föra forskningsfältet vidare.