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

Dans cette thèse, je propose plusieurs modèles et outils numériques afin de mieux comprendre et prédire le comportement et le développement de cultures et dispositifs neuronaux.Les cultures de neurones ont en effet été un outil précieux durant les 20 dernières années : elles ont permis de mieux comprendre la manière dont le cerveau traite les différentes informations qui lui parviennent en donnant aux scientifiques la possibilité de tester les effets de médicaments sur les neurones, ainsi que d'obtenir leurs réponses détaillées à diverses perturbations et stimuli.De plus, de récentes avancées en microfluidiques ont ouvert la voie à la conception de dispositifs neuronaux plus élaborés, rapprochant encore un peu plus la perspective du traitement de signaux complexes via des neurones in vitro.Dans une première partie, je propose un mécanisme pour expliquer les bouffées d'activité épileptiformes présentes dans les cultures, mécanisme que je formule via un modèle théorique concis. J'effectue ensuite une vérification expérimentale des prédictions du modèle sur des cultures et montre que celles-ci sont effectivement compatibles avec le comportement observé in vitro.Dans une seconde partie, je décris plus en détail la description de la dynamique spatio-temporelle du phénomène, notamment le fait que les bursts nucléent en des zones bien précises du réseau neuronal.Comme les prédictions et analyses effectuées dépendent fortement de la structure de ce réseau, je présente ensuite la réalisation d'une plateforme de simulation afin de permettre de modéliser efficacement le développement des réseaux neuronaux. Ce logiciel prend en compte les interactions entre les neurones et leur environnement et constitue la première plateforme à fournir des modèles polyvalents et complets pour décrire l'intégralité du processus de croissance neuronal. Je montre ensuite que ce simulateur est capable de générer des morphologies valides et l'utilise pour proposer des nouvelles topologies de réseaux afin de décrire les cultures de neurones. Je reproduis également des dispositifs neuronaux existants et montre que les activités entretenues par ces structures sont compatibles avec les observations expérimentales. Enfin, je discute plusieurs directions de recherche possibles, pour lesquelles l'utilisation de dispositifs neuronaux spécifiques permettrait de contourner les limitations des cultures neuronales et fournirait ainsi de nouvelles informations sur les processus sous-tendant le développement et la plasticité cérébrale / In this thesis, I provide models and numerical tools to better understand and predict the behavior and development of neuronal cultures and devices.Neuronal cultures have proven invaluable in improving our understanding of how the brain processes information, by enabling researchers to investigate neuronal and network response functions to various perturbations and stimuli.Furthermore, recent progress in microfluidics have opened the gate towards more elaborated neuronal devices, bringing us one step closer to complex signal processing with living in vitro neurons.In a first part, I propose a mechanism to explain the epileptiform bursts of activity present in cultures, mechanism which I formulate as a concise theoretical model. I subsequently test the predictions of this model on cultures and show that they are indeed compatible with the behavior observed in vitro.I further develop this description in the second part of the thesis, where I analyze its spatiotemporal dynamics and the fact that burst nucleate in specific areas in the network.Since predictions and analysis of these nucleation centers strongly depends on the network structure, I develop a simulation platform to enable efficient modeling of the network development. This software takes into account the interactions between the neurons and their environment and is the first platform to provide versatile and complete models to simulate the entire growth process of neurons. I demonstrate that this simulator is able to generate valid neuronal morphologies, then use it to propose new network topologies to describe neuronal cultures, as well as to reproduce existing neuronal devices. I then show that the activities sustained by these structures are compatible with the experimental recordings.Eventually, I discuss several future directions for which the use of neuronal devices would enable to circumvent current limitations of neuronal cultures, thus providing new information on the processes which underlie brain development and plasticity.

Depuis sa découverte, les propriétés électroniques exceptionnelles du graphène ont fait l'objet d'un nombre impressionnant d'études, faisant émerger un nouveau domaine de recherche autour des cristaux bidimensionnels. La spectroscopie Raman permet d'accéder de façon rapide, non destructive et sélective en symétrie, à la dynamique des électrons et à leur couplage avec les autres degrés de liberté d'un matériau. Jusqu'au présent, cependant, cette technique a été réservée presque exclusivement à la caractérisation des propriétés vibrationnelles du graphène, qui ne sondent qu'indirectement ses propriétés électroniques. Dans ce travail je mets en évidence le signal Raman électronique de mono- et multi-couches de graphène en le modulant avec une tension de grille. Pour cela j'ai combiné des techniques avancées de fabrication de dispositifs avec un microscope Raman spécialement conçu pour cet objectif. Grâce à l'effet du champ électrique, le continuum Raman électronique du graphène dû aux transitions inter-bande à travers le cône de Dirac, a été identifié et son intensité quantifiée pour la première fois. Les spectres, avec la présence d'un blocage de Pauli des excitations électroniques, sont en excellent accord avec les prévisions théoriques. Les mesures résolues en polarisation ont mis en évidence une propriété originale de la spectroscopie Raman: le fait d'être une sonde privilégiée des excitations électroniques chirales. Cette propriété, attribuée à un phénomène d'interférences quantiques entre les amplitudes de diffusion, ouvre des prospectives très intéressantes dans l'étude d'autres cristaux bidimensionnels et des phases topologiques / Since its discovery, the exceptional electronic properties of graphene have been studied in an impressive number of academic works, giving birth to a new research field dealing with two-dimensional crystals. Raman spectroscopy is a quick, non-destructive and symmetry-selective way to probe the dynamics of electrons and to their coupling with the other degrees of freedom of a material. Until now, nonetheless, this technique had been almost exclusively reserved to the characterization of graphene's vibrational properties, which probe its electronic properties only indirectly. In this work I unravel the electronic Raman signal of mono- and multi-layer graphene tuning it with a gate voltage. In order to do so, I combined advanced techniques of device fabrication with a Raman microscope specifically designed for this goal. By means of the electric field effect, I identified and quantified for the first time the intensity of the electronic Raman continuum of graphene due to the inter-band transitions through the Dirac cone. The spectra, with the presence of a Pauli blocking of electronic excitations, match perfectly with theoretical expectations. The polarization resolved measurements revealed an original property of Raman spectroscopy: it is a unique probe of chiral electronic excitations. This property, attributed to a quantum interferences phenomenon between scattering amplitudes, opens very interesting perspectives in the study of other two-dimensional crystals and of topological phases

Depuis les années 1970, les historiens de la pensée économique comme les sociologues se sont largement penchés sur les interactions entretenues par les outils issus des théories économiques et par les pratiques effectives de marché. Ces travaux indiquent la porosité de la frontière entre activité scientifique – observer, mesurer, théoriser – et participation au monde social. Tel est précisément l’objet d’un courant important de la sociologie économique, portant le nom de « performativité » : les économistes instituent les marchés autant qu’ils les observent et théorisent, ils produisent et façonnent le monde social tel que nous le vivons aujourd’hui. Cette sociologie, que l’on qualifiera de « performativiste », entend étudier l'influence des théories économiques en s'attardant principalement sur les dispositifs techniques dont celles-ci renseignent l'élaboration. Elle part du constat que ces dispositifs encadrent et conditionnent les comportements sociaux, de sorte que la réalité économique est petit à petit amenée à se conformer aux théories. Tel est, par exemple, le principe assumé du design de marché : les économistes conçoivent, à partir de leurs théories, des systèmes d’enchère, d’appariement, ou des plate-formes marchandes, dans le but d’amener la réalité à se comporter comme leurs modèles. S'il convient assurément de souligner l'originalité heuristique de ces réflexions, la présente recherche entend questionner la pertinence explicative des outils conceptuels qu'elles mobilisent, en identifier les limites et apporter une contribution théorique à la question de la performativité. Cette pertinence sera jugée (et c’est un choix qu’il conviendra de justifier) à l’aune de la capacité de la théorie de la performativité à penser les échecs performatifs. À savoir quand une théorie échoue à faire fonctionner le monde social conformément aux mécanismes qu’elle décrit. On montrera que la théorie performativiste arbore un certain type de relativisme, un relativisme qui limite précisément sa capacité à saisir les cas d’échec. On tentera de montrer que cette limite est intimement liée au fait qu’elle aborde principalement la performativité par le prisme des dispositifs techniques. À l'image d'un moteur à explosion ou d'un logiciel open source, le monde social est, dans cette perspective, d'une extrême malléabilité. Libre aux économistes de le façonner à l'image de leurs propres théories. / No English summary available.

Les réseaux de 5ème génération se caractérisent par la communication directe entre machines (M2M) et l’Internet des Objets, un réseau unifié d’objets connectés. Dans ce contexte, les appareils communicants sont des décideurs autonomes qui coopérent, coordonnent leurs actions et se reconfigurent de manière dynamique enfonction de leur environnement. L’enjeu est de développer des algorithmes efficaces pour coordonner les actions des appareils autonomes constituant le réseau.La théorie de l’information nous permet d’étudier le comportement de long-terme des appareils grâce aux distributions de probabilité conjointes. En particulier, nous sommes intéressés par la coordination forte, qui exige que la distribution induite sur les suites d’actions converge en distance L^1 vers une distribution i.i.d. cible.Nous considérons un model point-à-point composé d’une source d’information, d’un encodeur, d’un canal bruité, d’un décodeur, d’une information commune et nous cherchons à coordonner les signaux en entrée et en sortie du canal avec la source et sa reconstruction.Nos premiers résultats sont des bornes intérieures et extérieure pour la région de coordination forte, c’est-à-dire l’ensemble des distributions de probabilité conjointes réalisables et la quantité d’information commune requise.Ensuite, nous caractérisons cette région de coordination forte dans trois cas particuliers: lorsque le canal est parfait, lorsque le décodeur est sans perte et lorsque les variables aléatoires du canal sont indépendantes des variables aléatoires de la source. L’étude de ce dernier cas nous permet de remettre en cause le principe de séparation source-canal pour la coordination forte. Nous démontrons également que la coordination forte offre “gratuitement” des garanties de sécurité au niveau de la couche physique.Par ailleurs, nous étudions la coordination sous l’angle du codage polaire afin de développer des algorithmes de codage implémentables. Nous appliquons la polarisation de la source de manière à créer un schéma de codage explicite qui offre une alternative constructive aux preuves de codage aléatoires. / 5G networks will be characterized by machine to machine communication and the Internet of Things, a unified network of connected objects. In this context, communicating devices are autonomous decision-makers that cooperate, coordinate their actions, and reconfigure dynamically according to changes in the environment.To do this, it is essential to develop effective techniques for coordinating the actions of the nodes in the network.Information theory allows us to study the long-term behavior of the devices through the analysis of the joint probability distribution of their actions. In particular, we are interested in strong coordination, which requires the joint distribution of sequences of actions to converge to an i.i.d. target distribution in L^1 distance.We consider a two-node network comprised of an information source and a noisy channel, and we require the coordination of the signals at the input and at the output of the channel with the source and the reconstruction. We assume that the encoder and decoder share a common source of randomness and we introduce a state capturing theeffect of the environment.The first objective of this work is to characterize the strong coordination region, i.e. the set of achievable joint behaviors and the required minimal rates of common randomness. We prove inner and outer bounds for this region. Then, we characterize the exact coordination region in three particular cases: when the channel is perfect, when the decoder is lossless and when the random variables of the channel are separated from the random variables of the source.The study of the latter case allows us to show that the joint source-channel separation principle does not hold for strong coordination. Moreover, we prove that strong coordination offers “free” security guarantees at the physical layer.The second objective of this work is to develop practical codes for coordination: by exploiting the technique of source polarization, we design an explicit coding scheme for coordination, providing a constructive alternative to random coding proofs.

Ce travail s’intéresse au phénomène de colmatage créé par la précipitation de la calcite dans les dispositifs des systèmes de drainage du réseau ferroviaire en particulier des lignes à grande vitesse (LGV). En effet, le colmatage de ces drains peut indirectement affecter la tenue géométrique de la voie. Maintenir les équipements hydrauliques dans leur état de fonctionnement optimal est un enjeu fort pour SNCF Réseau. L’objectif de cette recherche est de déterminer les processus et causes de l’entartrage et sa cinétique, en intégrant l’environnement naturel (géologie) et ferroviaire (matériaux anthropiques) ainsi que les types de dispositifs de drainage. La finalité de cette recherche est un double enjeu industriel: préventif et curatif. Les dysfonctionnements de ces dispositifs que ce soit en pleine voie ou en tunnel entrainent en effet une présence d’eau dans les structures d’assise des voies ferrées pouvant provoquer une dégradation de leurs caractéristiques mécaniques, et à terme induire des défauts de nivellement de rail pouvant mener à des impacts sur les circulations. L’obstruction des dispositifs de drainage par des dépôts carbonatés précipités est une cause majeure de réduction de la fonctionnalité de ces dispositifs sur le RFN : 546,8 km de linéaire de LGV (LN1 à LN6) sont potentiellement sous cet impact. Sur certaines lignes, cet impact est important. Par exemple, on a estimé que sur 78 km (LN2) de linéaire de LGV drainée par un collecteur drainant (CD), que le colmatage des CD lié à la précipitation de dépôts carbonatés pouvait représenter jusqu’à 80 % des cas de dysfonctionnement de drainage. Les techniques actuelles utilisées sont l’hydrocurage ou le marteau piqueur pour les dépôts très durcis mais tous les deux de faible rentabilité au vu du linéaire potentiellement colmaté. Afin de proposer des solutions innovantes de conception ou de traitement adaptées, l’étude des mécanismes en jeu a fait l’objet d’une campagne de mesures de plus de deux ans sur un site pilote de LGV (Chauconin, 77) instrumenté à cet effet permettant l’analyse des paramètres physico-chimiques de l’eau drainée ainsi que celle des dépôts précipités dans leur contexte géologique, géotechnique et hydrométéorologique. Cette approche a été complétée par l’étude de 8 sites complémentaires choisis en pleine voie et en tunnels à l’échelle de RFN et présentant une diversité de contextes environnementaux et ferroviaires. Le modèle hydrogéochimique développé ensuite sur cette base offre la possibilité de reproduire les processus observés sur le site de Chauconin: processus physique (Pluie-Débit) et processus physico-chimique (Modèle Transfert-Réaction), et de quantifier les quantités de dépôts prévisibles à terme dans les dispositifs. Ce modèle conceptuel est basé sur un modèle hydrologique empirique de deux réservoir de terrain en couplant les processus transport et réaction (dissolution – précipitation). Les premières analyses d’eau et de matériaux encaissants sur le site de Chauconin montrent que, en absence d’une nappe drainée, celle-ci est riche en calcium et sulfates. L’analyse fine des matériaux montre qu’une partie des matériaux rapportés utilisés dans la fondation de la plateforme ferroviaire contient du gypse dont la dissolution par l’eau d’infiltration pourrait expliquer la composition de l’eau du drainage. Les eaux sur les sites supplémentaires que soit avec une présence de nappe permanent ou temporelle, sont essentiellement calcium carbonate. La composition de ces eaux est cohérente avec la géologie calcaire. Le modèle développé peut être extensible à d’autres sites ferroviaires comme tunnels. A ce stade de notre travail de recherche, nous proposons donc un outil d’aide à la décision à double objectif : diagnostic du risque de précipitation de calcite et justification du choix des typologies de solutions techniques préventives ou curatives / This thesis focuses on the clogging phenomenon linked to the precipitation of calcite in high-speed line drainage systems (HSL). Indeed, the clogging of these drains can affect the geometric behavior of the track. Maintaining hydraulic devices in its optimal operating condition is a major challenge for SNCF Réseau. The objective of this research is to determine the processes and causes of calcite formation and its kinetics, by integrating the natural environment (geology) and railway context (anthropogenic materials) as well as the types of drainage devices. The purpose of this research has double industrial goals: preventive and curative. The dysfunction of the devices of the HSL drainage systems, whether along the track or in the tunnel, cause the presence of water in the foundation of the tracks, which can lead to a degradation of their mechanical characteristics, and in the long term induce rail levelling that can lead to impacts on traffic. The clogging of drainage devices by precipitated carbonate deposits is a major cause of reducing the functionality of these devices on the French Railway Networks (RFN): 546.8 km of HSL (Line 1 to 6) are potentially under this impact. In some ways, this impact is essential. For example, it has been estimated that over 78 km (HSL 2) of HSL equipped with draining collector, that the clogging of the devices related to the precipitation of carbonate deposits could represent up to 80% of cases of drainage dysfunction. The curent techniques used are the hydrocuring or the jackhammer for very hardened deposits but both of low profitability in view of the potentially clogged kilometers. In order to propose innovative design or treatment solutions adapted to the different site contexts, the study of the mechanisms involved was the subject of a site monitoring lasting more than two years at a HSL pilot site (Chauconin, 77) instrumented for this purpose allowing the analysis of the physico-chemical parameters of the drained water as well as that of precipitated deposits in their geological, geotechnical and hydrometeorological context. This approach was complemented by the study of 8 other complementary sites selected in full-scale of RFN including tunnels under variant geology as well as covering all existing drainage devices in the railway infrastructure.The hydrogeochemical model developed on this basis offers the possibility of reproducing the processes observed on the Chauconin site: the physical process (Rain-Flow) and the physicochemical process (Transfer-Reaction Model) according to their context in order to quantify predictably the deposits in the drainages devices. This conceptual model is based on an empirical hydrology model of two ground reservoir by coupling the processes of transfer and reaction (dissolution - precipitation). The first analysis of water and surrounding materials on the Chauconin site show that, in the absence of a drained aquifer, this drained water is rich in calcium and sulphates. The detailed analysis of the materials shows that some of the reported materials used in the foundation of the railway platform contain gypsum whose dissolution by infiltration water could explain the composition of the drained water. The waters on the additional sites with a presence of permanent or temporal aquifer are essentially calcium carbonate. These drained waters are consistent with their calcareous or Gypsums geology.The developed conceptual model could be expanded to other railway sites as tunnel. At this stage of our research work, we propose a conceptual decision-making tool with two objectives: diagnosis the calcite precipitation and justification of the choice of typologies of solutions

L'oscillateur optoélectronique (OEO) introduit en 1994 par S. Yao et L. Maleki fut le premier oscillateur microondes incorporant une fibre optique très longue afin d'obtenir une très haute qualité spectrale. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur des applications de l'OEO, un domaine encore peu exploré. L'idée directrice est d'étudier des variations contrôlées de la fréquence d'oscillation et de montrer la faisabilité d'applications correspondantes. Deux possibilités sont abordées ici pour modifier la phase du signal et donc la fréquence d'oscillation. La première consiste à modifier le chemin optique global du système. Après avoir montré la sensibilité du système à une modification de la longueur de boucle, nous avons appliqué ce principe à la mesure de l'indice de réfraction de diverses solutions chimiques avec une précision estimée à cinq millièmes environ. Des améliorations sont possibles et doivent permettre de gagner un ordre de grandeur. Dans la deuxième méthode le signal optique en sortie de la fibre est divisé en deux voies a priori équivalentes. En imposant une variation de l'amplitude du signal dans un des chemins il est possible lors de la recombinaison électronique de modifier la phase globale. Une technique utilisant un amplificateur optique à semi-conducteur conduit à la réalisation d'un OEO contrôlé en tension ; une modulation de fréquence permettant de travailler jusqu'à un indice de modulation d'environ 5,4 est alors mise en œuvre. Une deuxième technique fondée sur un circulateur optique terminé par un interféromètre à fibre permet, grâce à une compensation des effets thermiques, de mesurer par exemple le coefficient d'absorption d'un liquide.

Thèse de doctorat--Électronique et communications--Paris--ENST, 2004. / Bibliogr. p. 105-109. Résumé en français et en anglais.

Thèse de doctorat--Informatique et réseaux--Paris--ENST, 2006. / Bibliogr. p. 187-195. Glossaire. Résumé.

Thèse de doctorat : sciences. Dispositifs de l'électronique intégrée : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2003. / Titre provenant de l'écran-titre. 189 réf.