Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Magíster en Ciencias, Mención Geofísica / El 27 de febrero de 2010, se produjo un terremoto interplaca (Mw 8.8) en la zona Centro-Sur de Chile, seguido de una secuencia de réplicas, de las cuales destacan algunos terremotos corticales en el margen de Chile Central con mecanismos focales normales. Esta actividad duró varios meses, y tuvo sus eventos más importantes el 11 de marzo de 2010 (Mw=6.9 y Mw=7.0). Un estudio inicial de esta secuencia analizó un conjunto de datos de aproximadamente 630 terremotos registrados localmente por una red de 8 estaciones sísmicas de periodo corto, instalada inmediatamente después de ocurrido el sismo principal; este estudio asoció la actividad sísmica cortical con la activación del sistema de fallas de Pichilemu. En esta Tesis se presenta una caracterización más detallada, y en profundidad, de dicho sistema de fallas, generado a partir de una tomografía sísmica pasiva utilizando el registro de 20 estaciones sismológicas de período corto durante 2 meses en 2017 y ubicada entre los 34°S y 35°S (entre las ciudades de Navidad e Iloca). Dicha red sismológica registró 1493 sismos locales. Este trabajo incluye datos no procesados de la red 2010, detectando 1741 sismos adicionales. Con esta nueva base de datos y utilizando la metodología de inversión conjunta, se determinó un modelo 3D de velocidad de ondas P y S, y además se calculó la relación Vp/Vs en la zona de estudio. La distribución de la sismicidad cortical registrada se extiende desde el contacto interplaca (ca. 30 km de profundidad) hasta casi la superficie, a lo largo de un plano inclinado hacia el SW, de orientación NW-SE NNW-SSE coincidiendo con estructuras de la edad Paleozoica a Mesozoica presentes en la zona Central de Chile. La sismicidad se sitúa, dentro de o de manera contigua a una superficie de bajos Vp y Vs, que se correlacionan principalmente con zonas de fracturamiento intenso asociadas al sistema de fallas de Pichilemu, y un alto contraste de Vp/Vs, que se correlaciona con las zonas de la corteza del antearco que probablemente estén debilitadas por la presencia de fluidos. Bajo la estructura principal de la falla de Pichilemu, la razón Vp/Vs aumenta y la velocidad Vs disminuye hasta la cuña mantélica, la cual probablemente está altamente hidratada por fluidos liberados desde la subducción. Hacia el Este de la estructura principal de la falla, ésta se delimita por una estructura de altas velocidades Vp y Vs, y una baja razón Vp/Vs, lo que se asocia a la presencia de intrusivos del Carbonífero y a actividad magmática del Jurásico, presentes en la Cordillera de la Costa. Por lo tanto, la ubicación del sistema de fallas de Pichilemu estaría determinada por contrastes reológicos heredados de la evolución del complejo de subducción que representa la actual Cordillera de la Costa. / Este trabajo ha sido financiado por el proyecto FONDECYT N° 1161806

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le membre fantôme correspond à la persistance de perceptions sensitives et motrices attribuées au membre amputé. Des douleurs chroniques parfois invalidantes ainsi que des capacités d'évocation de mouvements dans le membre absent sont fréquemment rapportées. Très peu connue, cette motricité résiduelle est souvent considérée comme de l'imagerie motrice. Le premier objectif de cette thèse est de réinterroger le statut psychologique des mouvements de membre fantôme. Le second objectif est d'étudier le lien entre le contrôle moteur dans le membre fantôme et les réorganisations corticales dans le cortex moteur du sujet amputé. Au moyen de tests comportementaux et d'examens en Imagerie par Résonnance Magnétique fonctionnelle (IRMf), ces travaux de thèse ont permis de dissocier expérimentalement une forme de perceptions kinesthésiques associée à de l'imagerie motrice et une autre forme associée à de l'exécution motrice dans le membre fantôme. Cette distinction repose à la fois sur des différences de performances et sur le recrutement de régions cérébrales partiellement distinctes. Au-delà de cette distinction physiologique, les résultats obtenus suggèrent que les mouvements de membre fantôme s'apparentent à une forme d'exécution motrice plutôt qu'à de l'imagerie motrice. A travers le modèle du membre fantôme, ce travail aborde donc la question de la nature des informations menant à la perception d'un mouvement comme étant " exécuté ". Les altérations du fonctionnement cortical mises en évidence chez l'amputé peuvent représenter un modèle d'étude intéressant des différents mécanismes physiopathologiques relevés dans des situations de déficiences liées à une forme de plasticité " maladaptative ". Les observations cliniques et les examens en neuroimagerie menés au cours de cette thèse dressent en effet, un modèle relativement cohérent de l'organisation fonctionnelle du cortex après amputation. En particulier, l'existence d'un lien entre les réorganisations fonctionnelles au sein du cortex moteur et la qualité du contrôle moteur résiduel dans le membre fantôme permet de mieux comprendre les mécanismes sur lesquels reposent certaines thérapies antalgiques, comme les thérapies visuomotrices

Un nombre important d'expériences étudiant les bases neurales de la cognition spatiale chez le rongeur souligne le rôle majeur de la formation hippocampique (voir Arleo and Rondi-Reig, 2007 pour une revue). Cette région limbique est impliquée dans l'apprentissage spatial depuis que des neurones sélectifs à une position -- nommés cellules de lieu hippocampiques (O'Keefe and Nadel, 1978) -- ont été découverts au moyen d'enregistrements psychophysiologiques chez des rats se déplaçant librement. Ces neurones participent très certainement à l'encodage de représentations spatiales dans un système de coordonnées allocentriques (c'est-'a-dire centrées sur le monde). Cependant deux autres composants sont nécessaires pour accomplir une navigation flexible (c'est-'a-dire pour planifier des détours et/ou des raccourcis) : la représentation du but et la planification de séquences d'actions dirigées vers un objectif (Poucet et al., 2004). Il a été proposé que l'hippocampe encoderait des représentations topologiques (prenant en compte la connectivité entre les différentes positions de l'environnement) adaptées à l'apprentissage de séquences d'actions (voir Poucet et al., 2004). Cependant, d'autres études expérimentales suggèrent l'existence d'un système extrahippocampique de planification de l'action partagé parmi de nombreuses régions (voir Knierim, 2006 pour une revue). Cette hypothèse postule une cognition spatiale distribuée dans laquelle (i) l'hippocampe prendrait part 'a la planification des actions en transmettant des représentations spatiales redondantes aux aires associatives supérieures, (ii) un réseau cortical élaborerait des représentations plus abstraites et compactes du contexte spatial (prenant en compte les informations de motivation, les contraintes cout de l'action / risque, et les séquences temporelles des réponses comportementales dirigées vers un but).

Des mutations dans le gène doublecortine (DCX) sont responsables de lissencéphalie de type 1 ou d'hétérotopie laminaire sous-corticale. Les souris invalidées pour le gène Dcx sont épileptiques et présentent des anomalies hippocampiques, avec notamment la présence de deux couches de cellules pyramidales spécifiquement dans l'aire CA3 de cette structure. Cette hétérotopie hippocampique est associée à une hyperexcitabilité. Notre but est d'identifier les mécanismes moléculaires et cellulaires responsables de cette hyperexcitabilité chez les souris Dcx. Pendant ma thèse, j'ai pu isoler les neurones mal-positionnés de la région CA3 de l'hippocampe, afin de comparer leurs profils d'expression génique à ceux des neurones de la région CA3 des souris contrôles. Les résultats au stade P0 (jour de la naissance des souris), montrent que les profils d'expression génique de chacune des deux couches hétérotopiques présentes chez les souris Dcx, diffèrent entre eux ainsi qu'en comparaison avec les profils de la couche pyramidale des contrôles. Sur le plan fonctionnel, cette étude indique des perturbations au niveau des organelles intracellulaires, tels que les mitochondries et l'appareil de Golgi. En étudiant séparément les profils associés à chacune des deux couches des souris Dcx, nous avons mis en évidence des différences de degrés de maturité neuronale entre chacune des couches. L'utilisation de marqueurs moléculaires spécifiques aux couches en combinaison avec des expériences d'injections de bromo-désoxy-uridine (BrdU) une inversion des couches neuronales présentes chez les mutants. En complément des données d'expression génique, des analyses morphologiques et ultrastructurales indiquent que les cellules hétérotopiques, présentent des anomalies d'organelles intracellulaires, avec notamment des défauts de mitochondries et des modifications de l'appareil de Golgi. Qui plus est, nos données montrent une augmentation significative de la mort cellulaire dans les régions CA1 et CA3 de l'hippocampe. Aussi, nous avons également montré que les couches hétérotopiques étaient hétérogènes, présentant notamment des distributions anormales des précurseurs d'oligodendrocytes et des interneurones exprimant la somatostatine. Ces résultats ouvrent donc de nouvelles perspectives pour mieux comprendre la physiopathologie de ces maladies graves associées à des hétérotopies neuronales dans le cerveau, de l'épilepsie et des déficits cognitifs

La polispermia (entrada de más de un espermatozoide al ovocito) es una condición patológica en mamíferos ya que impide el desarrollo embrionario. En la especie porcina, la polispermia es un problema común y aún sin resolver en los sistemas de fecundación in vitro (FIV). Los gránulos corticales (GCs) de los ovocitos de mamíferos estan implicados en el bloqueo de la polispermia, sin embargo, poco se sabe acerca de la composición y función de estas organelas. Esta ampliamente descrito que las moléculas liberadas de los GCs durante la fecundación o activación ovocitaria mediante estimulación química o eléctrica producen importantes modificaciones, particularmente en la zona pelúcida (ZP), el espacio perivitelino y, probablemente, el oolema del ovocito. Estas modificaciones repercuten directamente en el bloqueo de la polispermia. El conocimiento del contenido de los GCs y proteínas del oolema así como su papel durante la fecundación en la especie porcina es escaso. La mayoría de la información que se tiene en la actualidad se ha obtenido del modelo murino. En la presente tesis doctoral, investigamos la presencia de posibles proteínas de los GCs en ovocitos porcinos así como la presencia de metaloproteasas ADAM-10 y ADAM-17 en ovocitos porcinos y bovinos. Para ello, este estudio se dividió en tres apartados: / Polyspermy (entering of more than a spermatozoon into the oocyte) is a pathological condition in mammals since it avoids the normal embryonic development. In the pig species, Polyspermy is a common problem still unsolved in the current systems of in vitro fertilization (IVF). The cortical granules (CGs) from mammal's oocytes are involved in the block to polyspermy. However, little is known about the composition and function of these organelles. It is widely described that the molecules released of the CGs during the fertilization or oocyte activation, by means of chemical or electrical stimulation, produce important modifications, particularly in the zona pelucida (ZP), the periviteline space and, probably, oolema of the oocyte. These modifications have a direct role in the block to polyspermy. The knowledge about the content of the CGs and the oolema proteins of as well as their role during fertilization in pigs is still scarce. The majority of the information that we currently have it has been obtained from the murine model. In the present Doctoral Thesis, we investigated the presence of possible proteins of the CGs in pig oocytes as well as the presence of metaloproteases ADAM-10 and ADAM-17 in pig and bovine oocytes. For that, this study was divided into three sections

Le membre fantôme correspond à la persistance de perceptions sensitives et motrices attribuées au membre amputé. Des douleurs chroniques parfois invalidantes ainsi que des capacités d’évocation de mouvements dans le membre absent sont fréquemment rapportées. Très peu connue, cette motricité résiduelle est souvent considérée comme de l’imagerie motrice. Le premier objectif de cette thèse est de réinterroger le statut psychologique des mouvements de membre fantôme. Le second objectif est d’étudier le lien entre le contrôle moteur dans le membre fantôme et les réorganisations corticales dans le cortex moteur du sujet amputé. Au moyen de tests comportementaux et d’examens en Imagerie par Résonnance Magnétique fonctionnelle (IRMf), ces travaux de thèse ont permis de dissocier expérimentalement une forme de perceptions kinesthésiques associée à de l’imagerie motrice et une autre forme associée à de l’exécution motrice dans le membre fantôme. Cette distinction repose à la fois sur des différences de performances et sur le recrutement de régions cérébrales partiellement distinctes. Au-delà de cette distinction physiologique, les résultats obtenus suggèrent que les mouvements de membre fantôme s’apparentent à une forme d’exécution motrice plutôt qu’à de l’imagerie motrice. A travers le modèle du membre fantôme, ce travail aborde donc la question de la nature des informations menant à la perception d’un mouvement comme étant « exécuté ». Les altérations du fonctionnement cortical mises en évidence chez l’amputé peuvent représenter un modèle d’étude intéressant des différents mécanismes physiopathologiques relevés dans des situations de déficiences liées à une forme de plasticité « maladaptative ». Les observations cliniques et les examens en neuroimagerie menés au cours de cette thèse dressent en effet, un modèle relativement cohérent de l’organisation fonctionnelle du cortex après amputation. En particulier, l’existence d’un lien entre les réorganisations fonctionnelles au sein du cortex moteur et la qualité du contrôle moteur résiduel dans le membre fantôme permet de mieux comprendre les mécanismes sur lesquels reposent certaines thérapies antalgiques, comme les thérapies visuomotrices / The phantom limb is a sensory experience that is perceived to originate from the missing part. Amputees report that the phantom limb had certain sensory properties like touch and pain, as well as kinesthetic properties like being able to be moved voluntarily. Phantom limb movements are little-known and generally considered to reflect motor imagery rather than motor execution. The first aim of this thesis is to investigate whether amputees distinguish between executing a movement of the phantom limb and imagining moving the missing limb. The second aim is to examine the link between the quality of the motor control in the phantom limb and cortical reorganizations in the motor cortex of amputees. Behavioral tests and functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) results reveal the ability of amputees to make the distinction between execution and motor imagery in the phantom limb. This distinction is based both on differences in performances associated with the two tasks and the recruitment of partially distinct brain regions. Beyond this physiological distinction, this result suggests that phantom limb movements are similar to executed movements and differ from imagined movements. This raises important questions about the very nature of the processes underlying the awareness of a movement as being executed or imagined. The functional alterations in the motor cortex of amputees are somewhat similar to the pathophysiological mechanisms of maladaptative plasticity. Amputation could be a great model for its study. Indeed, the clinical and neuroimaging examinations conducted during this thesis led to a relatively coherent model of the functional reorganizations in the motor cortex after a limb-amputation and their relationships with behavioral variables. In particular, the relationship between functional reorganizations in the motor cortex and the quality of residual motor control in the phantom limb helps to understand the mechanisms underlying some analgesic therapies, such as the “visuomotor therapy”

L’objectif de cette thèse est de développer des modèles mathématiques de perception visuelle basés sur des architectures corticales et de les appliquer pour reproduire des expériences phénoménologiques ainsi que pour traiter des images naturelles. Nous nous concentrons sur les tâches de vision de bas niveau et nous sommes intéressés par le problème du groupement et de l’individuation des unités perceptives. Nous ferons face au problème de la reconstruction des figures illusoires et de la détection des vaisseaux rétiniens dans les images optiques. Ensuite, nous considérerons le problème du codage et du décodage de l’activité cérébrale du cortex visuel obtenue par Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf). Ceci permet d’estimer la structure du cortex d’un patient spécifique et éventuellement de reconstruire le stimulus visuel de l’activité IRMf, dans une stratégie “de lecture du cerveau”. La distinction entre notre approche et l’état de la littérature consiste à utiliser des modèles neuromathématiques du cortex comme connaissance a priori pour régulariser la structure estimée. Même si c’est un objectif à long terme, nous proposons une première approche pour améliorer les résultats dans ce domaine. L’ensemble du travail de cette thèse a été développé en tenant compte des résultats de la phénoménologie de la perception et des résultats de la neurophysiologie. Dans le domaine de la phénoménologie de la perception, au début du siècle dernier, la théorie de la psychologie de la Gestalt a défini l’intégration des contours et en particulier Wertheimer [1938], Kohler [1947], Kofka [1935] ont défini le regroupement des lois de perception. Celles-ci sont cruciales dans la construction d’objets visuels : les éléments avec des caractéristiques en commun peuvent être regroupés pour former un nouvel objet visuel plus grand. Des expériences psychophysiques ont été proposées pour mesurer les paramètres quantitatifs de ces lois. Un intérêt particulier de cette thèse est le concept de champ d’association introduit par Field et al. [1993] lequel code différents principes de la Gestalt (dont la bonne continuation et la proximité).Ces auteurs ont montré que la co-linéarité de stimulus et la co-circularité jouent un rôle important dans la caractéristique du groupement. Leur étude a montré comment les chances de percevoir un chemin curviligne étaient élevées si l’orientation de ses éléments était tangente à ce chemin. D’autre part, en neurophysiologie, une grande quantité d’expériences confirment que le problème du groupement et de détection des contours est effectué par le cortex visuel primaire (V1) [Hubel, 1995]. Un cadre mathématique, basé sur les instruments différentiels, a été introduit pour formaliser ces résultats. Les premiers modèles géométriques sont dus à Koenderink and van Doorn... / The objective of this thesis is to develop mathematical models of visual perception based on cortical architectures and to apply them to reproduce phenomenological experiments and to process natural images. We primarly focus on low level vision tasks and in particular we are interested in the problem of grouping and of individuation of perceptual units. In this setting we will face the problem of the reconstruction of illusory figures and the detection of retinal vessels in optical images. Then we consider the problem of encoding and decoding of the fMRI signal from in vivo acquired brain activity of visual cortex. This allows to estimate the structure of the cortex of a specific human patient and eventually to reconstruct the visual stimulus from fMRI activity, in a so called “brain reading” strategy. The difference between our approach and the state of the art literature consists in using previously defined neuromathematical models of the cortices as a-priori knowledge to regularise in vivo estimated structure. Even if it is a long term objective, we propose a first approach to improve the results in this field. The entire work of this thesis has been developed taking into account results from phenomenology of perception and results of neurophysiology.In the field of the phenomenology of perception, at the beginning of the last century, the theory of the Gestalt psychology [Wertheimer, 1938, Kohler, 1947, Kofka, 1935] defined the integration of contours and in particular they defined grouping laws underlying perception. These are crucial in the construction of visual objects: points with characteristics in common can be grouped together to form a new visual object. Many psychophysical experiments have been proposed to measure the quantitative parameters of these laws. A particular interest of this thesis is the concept of association fields introduced by Field et al. [1993] which encodes different Gestalt principles (as good continuation, proximity). They showed that stimulus co-linearity and co-circularity play an important role for the feature of grouping. Their study showed how chances of perceiving the curvilinear path were high if the orientation of its features was the one tangent at that point and collapsed as their relative orientation deviated from being tangent...

Dans ce manuscrit nous proposons une architecture neuronale d'inspiration corticale, capable de développer un traitement émergent de type auto-organisation. Afin d'implémenter cette architecture neuronale de manière distribuée, nous utilisons le modèle de champs neuronaux dynamiques, un formalisme mathématique générique conçu pour modéliser la compétition des activités neuronales au niveau cortical mésoscopique. Pour analyser en détail les propriétés dynamiques des modèles de référence de ce formalisme, nous proposons un critère formel et un instrument d'évaluation, capable d'examiner et de quantifier le comportement dynamique d'un champ neuronal quelconque dans différents contextes de stimulation. Si cet instrument nous permet de mettre en évidence les avantages pratiques de ces modèles, il nous révèle aussi l'incapacité de ces modèles à conduire l'implantation des processus d'auto-organisation (implémenté par l'architecture décrite) vers des résultats satisfaisants. Ces résultats nous amènent à proposer une alternative aux modèles classiques de champs, basée sur un mécanisme de rétro-inhibition, qui implémente un processus local de régulation neuronale. Grâce à ce mécanisme, le nouveau modèle de champ réussit à implémenter avec succès le processus d'auto-organisation décrit par l'architecture proposée d'inspiration corticale. De plus, une analyse détaillée confirme que ce formalisme garde les caractéristiques dynamiques exhibées par les modèles classiques de champs neuronaux. Ces résultats ouvrent la perspective de développement des architectures de calcul neuronal de traitement d'information pour la conception des solutions logicielles ou robotiques bio-inspirées.