L'évaluation écologique des cours d'eau ne prend pas en compte les différents processus qui y sont réalisés, faute d'indicateur disponibles. L'objectif de cette thèse a été de documenter l'utilisation de la décomposition des litières végétales d'origine terrestre comme indicateur de l'intégrité fonctionnelle des rivières de plaine et de piedmont suivies par l'Agence de l'Eau Adour-Garonne. Partie 1. Sur une douzaine de sites suivis pour la pollution par les pesticides, le taux de décomposition est divisé par deux entre le site le moins et le plus contaminé, entrainant le passage d'une décomposition co-assurée par les invertébrés et les microorganismes dans les sites les moins contaminés à un processus réalisé seulement par les microorganismes dans les sites les plus contaminés, compromettant le processus dans les rivières les plus contaminées. Cette altération est observée à des concentrations en pesticides pourtant inférieures aux seuils fixés par l'Union Européenne. Partie 2. Sur 58 sites qui maximisent l'amplitude des classes de qualité écologiques, l'absence de corrélation observée entre les indices biologiques basés sur les invertébrés (IBGN, I2M2) et les diatomées (IBD) et le processus de décomposition suggère que les perturbations, selon leur nature et/ou leur intensité, altèrent différentiellement la composition des communautés et les activité de transformation de la matière organique. Partie 3. Une grille d'évaluation de la qualité fonctionnelle des rivières croisant deux variables, ktotal et le ratio kinvertébré/kmicrobien est proposée à partir de 84 sites de suivi et de sites de référence tirés de la bibliographie. Cette grille montre qu'à l'échelle régionale, le processus de décomposition est plus affecté dans sa composante liée à l'activité des invertébrés qu'à celle liée aux microorganismes. En suivant les critères d'évaluation de la Directive Cadre sur l'Eau, cette grille d'évaluation met en évidence que seulement 28 % des sites étudiés atteindrait un bon état fonctionnel. Cette thèse a permit de documenter la réflexion menée sur le développement d'indicateurs fonctionnels et plaide pour l'inclusion de la décomposition des litières végétales dans l'évaluation évaluation écologique par une approche croisée, telle que formalisée par un graphique structure x fonction à double entrée. / The aim of this thesis was to document, at regional scale (SW France), the application of litter decomposition and associated metrics as a proxy of functional integrity of stream ecosystems. The Introduction exposed the underlying arguments, mainly relying on (1) the importance of this ecosystem process, which provides most carbon sources to the aquatic food web, and (2) the need to complement the structural metrics routinely used in biomonitoring schemes by a functional component. Chapter I dealt with the capacity, by using litter decomposition, to discriminate the effects of pesticides from other stressors in 12 agricultural streams selected along a contamination gradient. The decomposition rate was twice as low in the most contaminated site compared with the less contaminated one, and the relationship was monotonous along the gradient. Only the activity of invertebrate decomposers was affected, translating into the switch from a decomposition co-dominated by invertebrates and microorganisms in the less contaminated sites to a process only achieved by microorganisms in the most contaminated ones. Taxonomic richness and density of invertebrate decomposers together with a specific indicator based on invertebrate traits followed the same trends as the invertebrate-driven decomposition rate, kinvertebrate, while fungal biomass, sporulation rate and taxonomic richness remained unaffected. Consequently, the presence of pesticides compromised leaf breakdown, as microbial decomposers did not compensate for the invertebrate decomposers decline. This occurred while pesticides concentrations even in the most contaminated stream were under the European Union's Uniform Principles thresholds for targeted species. This study showed that litter breakdown, particularly the ratio of total to microbial-driven breakdown rate, is a pertinent proxy to assess the functional integrity of pesticide-contaminated streams. Chapter II compared the biological evaluation, as routinely undertaken in monitoring schemes from structural indicators based on invertebrates (IBGN and I2M2) and diatoms (BDI), with the functional indication based on litter decomposition. No correlation was found between structural and functional indicators on 58 streams, whereas the 3 structural indicators were strongly correlated each other. Redundancy analysis showed a negative relationship between ktotal or kinvertebrate and the proportion of cultures in the riparian corridor, while kmicrobial responded to the same environmental parameters (substratum coarseness, temperature) as structural indicators. The lack of correlation between invertebrate-based structural metrics and kinvertebrate suggested that disturbances, depending on their nature and/or intensity, differentially impair community composition and community activity in organic matter processing. In the view of proposing functional metrics, Chapter III concerned the distribution patterns of decomposition parameters on our study sites together with reference sites from the literature. Strong links were detected between decomposers community, decomposition rate and environmental settings, as exemplified by positive correlations between ktotal or kinvertebrate and detritivores abundance, kmicrobial and fungal biomass or sporulation rate, and the ratios ktotal/kmicrobial or kinvertebrate/kmicrobial and the abundance of decomposers. We propose a rating grid of stream ecosystem functional quality crossing two entries, ktotal and kinvertebrate/kmicrobial. At the regional scale, this grid shows that litter decomposition is more affected in its invertebrate component than in the microbial one. The Discussion exposes the main results in context and opens to perspectives, particularly about the question of reference sites. In conclusion, our results strongly argue for a crossed evaluation of ecological quality of running waters, as formalized by a chart with structure × fonction double entry.

Les cours d’eau de tête de bassin versant, malgré leurs tailles réduites, jouent des rôles importants pour le fonctionnement des milieux situés en aval, et rendent de nombreux services écologiques. Depuis l’émergence du River Continuum Concept, le fonctionnement de ces cours d’eau est considéré comme reposant principalement sur les apports allochtones de matière organique détritique par opposition aux écosystèmes aval de plus grande taille dans lesquels la production primaire autochtone est considérée comme prépondérante. Bien que les détritus soient, par définition, des ressources de moindre qualité pour leurs consommateurs que les végétaux vivants, le rôle des facteurs qui limitent la production biologique et les processus fonctionnels dans ces écosystèmes détritiques reste encore peu exploré. Par exemple la carence en éléments minéraux essentiels (notamment en azote et en phosphore) dans les détritus peut limiter le développement des organismes vivants dans les cours d’eau. De ce fait, la disponibilité en éléments minéraux dans la colonne d’eau, en stimulant la croissance, l’activité des décomposeurs et la qualité élémentaire des ressources par le processus d’immobilisation microbienne, pourrait contrôler pour partie les processus écologiques en jeu dans ces écosystèmes. En étudiant in situ la réponse des communautés microbiennes aux nutriments le long d’un gradient d’occupation des sols, nos travaux ont mis en évidence un effet positif des éléments dissous (N et P) sur la décomposition des litières et les activités enzymatiques des décomposeurs, et ce même pour les niveaux en nutriments les plus élevés du gradient, pour lesquels des effets inverses étaient attendus. Indépendamment, dans des cours d’eau anciennement soumis à de forts dépôts acidifiants, nous avons pu observer une récupération du processus de décomposition des litières. Néanmoins, cette restauration s’accompagnant d’un appauvrissement marqué en N, des perturbations du fonctionnement de ces cours d’eau pourrait se manifester à terme. Le rôle de la production primaire dans les cours d’eau de tête de bassin versant a ensuite été questionné. En effet, bien qu’étant mineur quantitativement, l’apport de carbone de forte qualité pourrait jouer un rôle non négligeable sur le fonctionnement des cours d’eau de tête de bassin versant. En particulier, l’importance et le rôle des apports en acides gras polyinsaturés (AGPI) via les biofilms phototrophes ont été questionnés. En se basant sur un suivi de terrain sur 15 cours d’eau des Vosges le long d’un gradient d’acidification, nos recherches ont tout d’abord pu mettre en évidence la présence de biofilms diatomiques riches en AGPI, malgré le caractère très forestier de ces cours d’eau. Dans un second temps, une expérience en conditions contrôlées a permis d’observer le rôle positif des apports, mêmes faibles, de ressources diatomiques sur la croissance et la survie du crustacé amphipode Gammarus fossarum. Sans cet apport, ces organismes se sont avérés incapables de maintenir leurs niveaux internes d’AGPI, suggérant qu’une consommation de producteurs primaires autochtones était indispensable à ces organismes détritivores. Nos résultats ont ainsi pu mettre en évidence les rôles fondamentaux que peuvent jouer la disponibilité en éléments dissous (N et P) et la qualité du carbone dans les ressources sur la production biologique et sur le processus de décomposition des litières dans les cours d’eau de tête de bassin versant. Ces résultats appellent désormais à investiguer plus profondément les interactions entre ces deux facteurs limitants, et à comprendre dans quels contextes l’un des facteurs pourrait suppléer l’autre. En particulier, il sera intéressant de rechercher comment diverses perturbations anthropiques (xénobiotiques, réchauffement climatique etc…) pourraient affecter l’intensité ou la nature de ces limitations / Despite their reduced sizes, headwater streams play important roles in the functioning of downstream ecosystems and provide numerous ecological services. Since the River Continuum Concept, the functioning of these streams has been considered as mainly relying on allochthonous supplies of detrital organic matter for their functioning, in contrast with downstream ecosystems of larger size where primary production is considered to be predominant. Despite that detritus represent, by definition, a resource of lower quality for its consumers than living plants, the nature of the factors limiting the biological production and functional processes in these detrital ecosystems remains sparsely explored. First, the lack of essential elements (in particular nitrogen and phosphorus) in detritus could be a major constraint for the development of living organisms in streams. As a result, the availability of mineral elements in the water column, by stimulating the growth and activity of decomposers, but also by increasing the elemental quality of resources through microbial immobilization, could control ecological processes in a higher extent than previously believed in these ecosystems. By studying in situ, the response of microorganisms to nutrients availability along a land-use gradient, our results have shown a positive effect of the dissolved elements (N and P) on the decomposition of leaf litters and the enzymatic activities of the decomposers, even for the highest nutrient levels of the gradient, for which adverse effects were expected. Independently, in streams formerly subjected to acidification, we observed a recovery of the process of leaf litter decomposition. Nevertheless, this recovery was accompanied by a marked N reduction in the ecosystem, huge changes in stream functioning might be expected in the medium to long term. The role of autochthonous primary production was then questioned. Indeed, while being quantitatively minor, this contribution of high quality carbon may play a significant role in the functioning of headwater streams. In particular, the importance and role of polyunsaturated fatty acid (PUFA) intakes via phototrophic biofilms was questioned. Based on a field survey of 15 rivers in the Vosges Mountains along an acidification gradient, our results first showed the presence of diatomic biofilms rich in PUFA, despite these streams are clearly in a forested context. In a second step, an experimentation carried out under controlled conditions permitted to observe the positive role of diatomic resources, even in low concentrations, on the growth and survival of the crustacean amphipod Gammarus fossarum. Without this input, these organisms were unable to maintain their internal levels of PUFAs, suggesting that the consumption of autochthonous primary producers might be essential for these detritivore organisms. All our results permit to highlight the fundamental roles that can be played by the availability of dissolved elements (N and P) and the carbon quality of the resources on the biological production and on leaf litter decomposition in headwater streams. These results stress the need for more profound investigation of the interactions between these two limiting factors, and for understanding in which contexts one factor could supplement the other. In particular, it will be interesting to investigate to what extent various anthropogenic disturbances (xenobiotics, global warming, etc...) could affect the intensity or the nature of these limitations

L'objectif de cette thèse était d'explorer le potentiel de l’imagerie du cerveau humain par ultrasons. L'anatomie, le flux sanguin et la rigidité des tissus mous ont déjà été étudiés avec l'imagerie ultrasonore ultrarapide chez l'homme et validés sur plusieurs organes, tels que le sein et le foie, mais pas encore sur le cerveau adulte. La principale limitation de l'imagerie échographique transcrânienne est aujourd'hui le très fort artefact d'aberration induit par le crâne. En effet, l’os, de par sa composition ne permet pas la propagation des ultrasons comme ailleurs dans le corps humain. Dans cette thèse, nous avons utilisé l'imagerie ultrasonore ultrarapide pour l'évaluation de la rigidité des tissus mous et l'imagerie neurofonctionnelle dans le cerveau humain adulte, lors de chirurgies du cerveau afin de contourner dans un premier temps le problème des aberrations induites par le crâne. La dernière partie de cette thèse était axée sur la correction d’aberration pour l’échographie quantitative et l’imagerie ultrasonore transcrânienne. Nous avons tout d’abord fourni plusieurs preuves de l'intérêt d'utiliser l’élastographie par onde de cisaillement pendant la chirurgie du cerveau. Nous avons également présenté notre nouvelle technique d’élastographie par onde de cisaillement en 3D à l'aide d'une sonde matricielle dans le but de pouvoir dépasser les limitations du 2D et notamment être moins dépendant de l’opérateur.Dans un second volet, nous avons démontré la capacité des ultrasons ultrarapides à identifier, cartographier et différencier en profondeur les régions d'activation corticales en réponse à un stimulus, à la fois chez les patients éveillés et chez les patients anesthésiés. Nous avons démontré que l'imagerie neurofonctionnelle par ultrasons a le potentiel de devenir une modalité complète de neuroimagerie avec des avantages majeurs pour une utilisation peropératoire.Dans un troisième volet, nous avons utilisé une technique en trois étapes pour calculer précisément la vitesse du son (SSE) dans un milieu. Cette technique a été testée dans des fantômes ultrasonores et in vivo dans les foies de patients. Dans les deux cas, notre méthode a été capable de trouver la vitesse du son correspondant au milieu. Nous avons démontré que la SSE était liée à la fraction de graisse. Cette analyse a permis de conclure que la SSE était en mesure de distinguer un foie sain et d’un foie malade aussi bien avec la biopsie qu’avec l’IRM comme méthode de référence. Combiné à l'utilisation de la formule de Wood, nous avons même pu avoir accès à une fraction de graisse mesurée par ultrasons de manière non invasive. Puis nous avons combiné la correction d’aberration de phase, d'amplitude et de vitesse du son pour faire de l’imagerie transcrânienne en simulation numérique. Nous avons atteint notre objectif en obtenant des images représentant fidèlement le milieu (position latérale et profondeur) et caractérisées par une résolution et un contraste similaires à ceux obtenus avec une source ponctuelle dans le milieu / The objective of this thesis was to explore the potential of human brain ultrasound imaging. Anatomy, blood flow and soft tissue stiffness have already been studied with ultrafast ultrasound imaging in humans and validated in several organs, such as, the breast and liver but not yet on the adult brain. The main limitation of transcranial ultrasound imaging is today the very strong skull-induced aberration artefact. Indeed, the bone, due to its composition, does not allow for ultrasound propagation as elsewhere in the human body. Therefore, this thesis was focused on the development of ultrafast ultrasound imaging for the evaluation of soft tissue stiffness and neurofunctional imaging in the adult human brain, during brain surgery to bypass the problem of skull aberration, and on an aberration correction technique for transcranial ultrasound imaging.We first provided several evidence of the benefit of using shear wave elastography during brain surgery. We also presented our new technique for 3D shear wave elastography using a matrix array in order to be able to overcome the limitations of 2D imaging and in particular to reduce the operator dependence.In a second phase, we demonstrated the capability of ultrasound to identify, map and differentiate in depth cortical regions of activation in response to a stimulus, both in awake patients and in anaesthetized patients. We have demonstrated that ultrasound neurofunctional imaging has the potential to become a comprehensive modality of neuroimaging with major benefits for intraoperative use. In a third part, we developed a new sound speed estimation (SSE) technique, based on a three-step technique that estimates the sound speed accurately corresponding to the illuminated medium. This technique was tested in ultrasound phantoms and in vivo in patient’s liver. In both cases, our method was able to find the sound speed corresponding to the medium. We demonstrated that SSE was related to the fat fraction. This analysis led to the conclusion that SSE was able to distinguish a healthy liver from a diseased liver with both biopsy and MRI as gold standard. Combined with the use of the Wood’s formula, we were even able to access a fat fraction measured by non-invasive ultrasound. Finally, by combining the phase, the amplitude and the sound speed estimation, we have developed a new aberration correction algorithm to perform transcranial ultrasound imaging. By performing numerical simulations, we obtained images that faithfully represented the medium (lateral position and depth) and characterized by one resolution and one contrast similar to those obtained with a punctual source in the medium

On assiste à un essor spectaculaire des méthodes optiques pour suivre l’activité de populations neuronales in vivo. Ceci a permis de mettre en évidence des motifs remarquables d’organisation fonctionnelle à l’échelle mésoscopique impliqués dans de nombreuses fonctions cérébrales physiopathologiques. Cette thèse vise à mettre en place les outils permettant de disséquer les circuits sous-tendant ces motifs remarquables selon une approche expérimentale basée uniquement sur la microscopie optique. Plus particulièrement, ces outils ont été optimisés pour décrire la région CA1 de l’hippocampe adulte et le « barrel cortex » au cours du développement. En effet, deux motifs remarquables ont récemment été mis en évidence dans ces structures, les assemblées neuronales de CA1 adulte impliquées d’une part dans des processus de mémorisation et les neurones Hubs du cortex en développement et d’autre part participant au développement postnatal des circuits neuronaux. Dans ce contexte, nous avons développé un nouveau paradigme expérimental combinant imagerie calcique biphotonique in vivo, photostimulation par illumination holographique et analyse mathématique. Nous avons optimisé le choix et la co-expression de la sonde calcique et de l’opsine dans nos conditions expérimentales, et calibré leur utilisation dans les neurones de différentes structures cérébrales. De plus, nous avons conçu et assemblé un nouveau microscope à deux voies d’excitation, une pour l’imagerie calcique et l’autre pour la photostimulation holographique in vivo. Cette nouvelle approche expérimentale est en cours de validation sur les neurones Hubs à forte connectivité du « barrel cortex » en développement. / Over The last five years we have observed a huge improvement of optical methods to monitor the activity of neuronal populations in vivo. With these new approaches, remarkable patterns of functional organization at the mesoscopic scale that are involved in many pathophysiological brain functions were highlighted. This thesis aims to develop tools allowing us to dissect the circuits underlying these remarkable patterns according to an experimental approach based on all optical microscopy. These tools have been optimized to describe the functional organization of CA1 neurons in the adult hippocampus as well as in the barrel cortex during development. Two remarkable patterns have recently been identified in these structures, first, adult CA1 neural assemblies involved in memory processes and second, Hub cortical neurons that shape neuronal circuit during development. We have developed a new experimental paradigm combining in vivo two photon calcium imaging, holography photostimulation and mathematical analysis. We optimized the choice and co-expression of calcium probe (GCaMP6s) and opsin (Chronos and ChR2H134R) in our experimental conditions and calibrated their use in neurons of different brain structures. In addition, we designed and assembled a new two-path excitation microscope, one for calcium imaging and the other for in vivo holography photostimulation. This new experimental approach is being validated on Hub neurons with high connectivity in the developing barrel cortex.

Dans cette thèse, nous étudions deux aspects de la dynamique d'impuretés atomiques interagissant avec des nanogouttes d'hélium superfluide (He) : la photo-excitation d'alcalins sur une nanogoutte et le dopage de nanogouttes contenant des tourbillons (vortex) quantiques avec des atomes de gaz rares. Nous utilisons la théorie de la fonctionnelle de la densité d'hélium ainsi que sa version dépendante du temps pour en faire la description théorique. Le premier aspect a été effectué dans le cadre d'une collaboration avec des expérimentateurs sur la photo-excitation du rubidium (Rb). Les alcalins sont une sonde très intéressante des gouttelettes d'hélium car ils résident dans leur zone de surface, où il a été prédit qu'un taux de condensation de Bose-Einstein de 100% était possible en raison d'une densité inférieure à celle de l'hélium superfluide. Nos simulations montrent que les états excités 5p et 6p désorbent à des échelles de temps très différentes, séparées par 2 ordres de grandeur (~100 ps et ~1 ps pour 5p et 6p respectivement). Ces résultats sont en accord avec ceux de l'expérience pompe-sonde à l'échelle femtoseconde qui a étudié la photodesorption d'atomes de Rb. Cependant, dans nos simulations, l'excitation vers 5pPi_{3/2} aboutit à un exciplexe RbHe lié à la surface, contrairement à l'expérience où RbHe est éjecté. L'introduction de la relaxation de spin de Pi_{3/2} à Pi_{1/2} nous a permis de résoudre ce désaccord, l'exciplexe RbHe ayant alors assez d'énergie pour désorber. Le deuxième aspect concerne une investigation purement théorique inspirée par les travaux récents de Gomez et Vilesov et al., où les tourbillons quantiques étaient visualisés en dopant les nanogouttes d'hélium avec des atomes d'argent, puis en les faisant atterrir en douceur (soft landing) sur un écran de carbone. Les images au microscope électronique montrent de longs filaments d'agrégats d'atomes d'argent qui s'étaient accumulés le long des coeurs des vortex. La formation de réseaux de tourbillons quantiques à l'intérieur de nanogoutelettes dopées par du xénon est également mise en évidence par diffraction de rayons X qui montrent des pics de Bragg caractéristiques d'agrégats de xénon piégés dans les coeurs des vortex. Nous avons d'abord étudié des collisions frontales entre un atome de xénon, héliophile, et une nanogoutte de 1000 héliums, et comparé les résultats à ceux d'une étude précédente sur le même processus avec le césium (Cs), qui est héliophobe. Dans le cas de Xe une «boule de neige» se forme autour de lui quand il entre dans la nanogoutte, et il lui faut beaucoup plus d'énergie qu'au Cs pour qu'il puisse en ressortir. Quand il le fait, il emporte des héliums avec lui, contrairement au Cs. Nous avons ensuite simulé des collisions entre Ar/Xe et des nanogouttes d'hélium superfluides pour différentes vitesses initiales et paramètres d'impact afin de déterminer leur section efficace de capture. Ces simulations ont ensuite été répétées pour des gouttelettes hébergeant un vortex quantique. On observe que l'impact des impuretés induit de grandes déformations de flexion et de torsion de la ligne de vortex, allant jusqu'à la génération d'ondes de Kelvin hélicoïdales qui se propagent le long du coeur du vortex. Ar/Xe est bien finalement capturé par le vortex, mais pas dans son coeur. Nous avons également découvert que l'existence d'un réseau de 6 lignes de vortex dont les noyaux sont remplis d'atomes d'Ar donne une rigidité accrue à la nanogoutte qui permet de stabiliser le système nano-goutte + vortex même à de faibles vitesses angulaires. Nos simulations impliquant des nanogouttes d'hélium comportant des tourbillons quantiques ouvrent la voie à d'autres investigations sur des nanogouttes hébergeant un ensemble de vortex, en collision avec de multiples impuretés. / In this thesis we investigate two aspects of the dynamics of atomic impurities interacting with superfluid helium (He) nanodroplets, namely the photo-excitation of alkalis on a nanodroplet and the doping process of nanodroplets hosting quantised vortices with noble gas atoms. For the theoretical investigations we use He density functional theory and its time-dependent version. The first aspect involves a joint experimental and theoretical collaboration that focusses on the photo-excitation of the alkali rubidium (Rb). Alkalis are a very interesting probe of He droplets since they reside in their surface region, where it has been argued that almost 100% Bose-Einstein condensation could be achieved due to a density that is lower than in bulk superfluid He. In our simulations we find that states excited to the 5p and 6p manifold desorb at very different timescales, separated by 2 orders of magnitude (~100 ps and ~1 ps for 5p and 6p respectively). This is in good agreement with experimental results where the desorption behaviour of photo-excited Rb atoms is determined using a femtosecond pump-probe scheme. However, in our simulations excitation to the 5pPi_{3/2}-state results in a surface-bound RbHe exciplex, contrary to the experimental case where the RbHe exciplex desorbs from the droplets surface. Introducing spin-relaxation from Pi_{3/2} to Pi_{1/2} into the simulations, the RbHe exciplex is able to desorb from the droplet's surface, which resolves this contradiction. The second aspect concerns a purely theoretical investigation that is inspired by recent work of Gomez and Vilesov et al., where quantised vortices were visualised by doping He nanodroplets with silver atoms, subsequently "soft landing" them on a carbon screen. Electron-microscope images show long filaments of silver atom clusters that accumulated along the vortex cores. Also the formation of quantum-vortex lattices inside nanodroplets is evidenced by using X-ray diffractive imaging to visualise the characteristic Bragg patterns from xenon (Xe) clusters trapped inside the vortex cores. First, head-on collisions between heliophilic Xe and a He nanodroplet made of 1000 He atoms are studied. The results are then compared with the results of a previous study of an equivalent kinematic case with cesium (Cs), which is heliophobic. Xe acquires a "snowball" of He around itself when it traverses the droplet and much more kinetic energy is required before Xe is able to pierce the droplet completely. When it does, it takes away some He with it, contrary to the Cs case. Next, collisions between argon (Ar)/Xe and pristine superfluid He nanodroplets are performed for various initial velocities and impact parameters to determine the effective cross-section for capture. Finally, the simulations are then repeated for droplets hosting a single quantised vortex line. It is observed that the impact of the impurities induces large bending and twisting excitations of the vortex line, including the generation of helical Kelvin waves propagating along the vortex core. We conclude that Ar/Xe is captured by the quantised vortex line, although not in its core. Also we find that a He droplet, hosting a 6-vortex line array whose cores are filled with Ar atoms, results in added rigidity to the system which stabilises the droplets at low angular velocities. Our simulations involving droplets hosting quantum vortices open the way to further investigations on droplets hosting an array of vortices, involving multiple impurities.

Les hallucinations auditives sont un symptôme fréquent et invalidant de la schizophrénie. Bien qu'habituellement jugulés par des traitements antipsychotiques, ces symptômes sont résistants dans 25 % des cas et leur physiopathologie reste méconnue. Dans ce travail de thèse, nous proposons d'utiliser la stimulation transcrânienne en courant continu (tDCS) dans une série d'études afin de traiter et de caractériser les hallucinations auditives résistantes de la schizophrénie. Dans une première série d'études cliniques, nous avons rapporté que la tDCS fronto-temporale diminuait les hallucinations auditives de la schizophrénie. Dans une autre étude, nous avons montré que la diminution des hallucinations auditives était corrélée à l'amélioration des processus cognitifs de source- monitoring chez les patients. Dans une étude chez des sujets sains, nous avons montré que ces processus cognitifs étaient liés à l'activité de la jonction temporo-pariétale gauche. Enfin, dans une étude d'imagerie, nous avons montré que la tDCS fronto-temporale modulait la connectivité fonctionnelle de la jonction temporo-pariétale gauche avec un large réseau cérébral impliqué dans les hallucinations et le traitement du langage. L'étude des effets cliniques, cognitifs et neurophysiologiques de la tDCS nous a permis de mieux comprendre la physiopathologie des hallucinations auditives et notamment le rôle central de la jonction temporo-pariétale gauche. Ces travaux seront mis en relation et confrontés à la littérature existante, afin de proposer des perspectives de prise en charge des hallucinations auditives / Auditory hallucinations are prominent and disabling features of schizophrenia. For 25%-30% of patients with schizophrenia, such hallucinations are refractory to drug treatment and their physiopathology remains unknown. This thesis aims at using transcranial direct current stimulation (tDCS) in several studies to alleviate and characterize refractory auditory hallucinations in schizophrenia. First, we conducted a clinical study in patients with schizophrenia and we reported that fronto-temporal tDCS reduced auditory hallucinations. ln another study, we reported that the reduced severity of auditory hallucinations was correlated with improved source monitoring performances. ln a study in healthy volunteers, we reported that source-monitoring processes were associated with activity of the left temporo-parietal junction. Finally, using functional magnetic resonance imaging, we observed that tDCS modulates the functional connectivity of the left temporo-parietal junction with a distributed network involved in auditory hallucinations and language processing. The study of clinical, cognitive and neural effects of tDCS allows a better understanding of brain mechanisms involved in auditory hallucinations and of the central role of the left temporo-parietal junction. These works were discussed together in light of available literature to pave the way for valuable alternative approaches to alleviate auditoryhallucinations in schizophrenia

La stimulation transcrânienne par courant continu (tDCS) sert à moduler l’activité neuronale. Elle consiste à appliquer un faible courant constant entre deux électrodes placées sur le cuir chevelu. Deux montages semblent efficaces pour moduler les capacités cognitives et/ou soulager des symptômes cliniques. Cependant, les effets neurobiologiques de la tDCS sont encore mal connues. Ce travail de thèse a tenté de clarifier les mécanismes cérébraux de la tDCS chez les sujets sains, en particulier en lien avec le système dopaminergique. En utilisant un design randomisée en double aveugle, nous avons combiné une session de tDCS online avec plusieurs modalités d'imagerie (PET ou PET-IRM simultanée) chez le sujet au repos. Une première étude (n=32, 2mA, 20min) a montré que la tDCS bifrontale induit une augmentation de la dopamine extracellulaire dans le striatum ventral, impliqué dans le réseau de récompense-motivation, après la stimulation. Une seconde étude (n=30, 1mA, 30min) a montré que la tDCS fronto-temporale induit une augmentation de la dopamine extracellulaire dans la partie exécutive du striatum et une diminution de la perfusion dans une région du réseau du default mode (DMN), après la stimulation. L'analyse des données de cette étude est toujours en cours. Dans l’ensemble, ce travail fournit la preuve qu'une seule session de tDCS frontale peut impacter le système dopaminergique dans des régions connectées aux zones corticales stimulées. Par conséquent, les niveaux d'activité et réactivité dopaminergique doivent être de nouveaux éléments à considérer dans l’hypothèse globale de modulation de l’activité cérébrale par la tDCS frontale / Transcranial direct current stimulation (tDCS) is used to modulate neuronal activity in the brain. It consists in applying a small constant current between two electrodes placed over the scalp. Two frontal tDCS montages have shown promises in modulating cognitive abilities and/or helping to alleviate clinical symptoms. However, the effects of tDCS on brain physiology are still poorly understood. The aim of this thesis work was to clarify brain mechanisms underlying frontal tDCS in healthy subjects, specifically in relation to the dopaminergic system. Using a double blind sham-controlled design, we combined a single session of tDCS online with several imaging techniques (PET or simultaneous PET-MRI) with the subject at rest. A first study (n=32, 2mA, 20min) showed that bifrontal tDCS induced an increase in extracellular dopamine in the ventral striatum, involved in the reward-motivation network, after the stimulation period. A second study (n=30, 1mA, 30min) showed that fronto-temporal tDCS induced an increase in extracellular dopamine in the executive part of striatum as well as a decrease in perfusion in a region part of the default mode network (DMN), after the stimulation period. The data analysis of this study is still ongoing. Overall, the present work provides evidence that a single session of frontal tDCS impacts the dopaminergic system in regions connected to the stimulated cortical areas. Therefore, levels of dopamine activity and reactivity should be new elements to consider for a general hypothesis of brain modulation by frontal tDCS

Introduction : L’influence de l’Index de Masse Corporelle (IMC) sur la récupération des paramètres de la marche après prothèse totale de hanche (PTH) et de genou (PTG) est méconnue. Peu d' étude se sont intéressées à l'influence de l’IMC sur la récupération des amplitudes articulaires actives à la marche (AAA) ou de la vitesse de marche après PTH et PTG. Notre objectif était d’évaluer cet impact en préopératoire et en post-opératoire par une évaluation clinique et biomécanique. Notre hypothèse était que l’obésité (IMC>30kg/m2) serait un facteur péjoratif de récupération des paramètres de marche.Matériel et méthodes : Après avoir effectué une revue systématique de la littérature sur la récupération fonctionnelle après prothèses totales du membre inférieur (PTH et PTG) afin de nous assurer de l’originalité de notre travail et de sa pertinence nous avons réalisé 2 études prospectives indépendantes : en incluant 76 PTH chez des patients coxarthrosiques d’une part et 79 PTG chez des patients gonarthrosiques d’autre part. Tous les patients bénéficiaient d’une analyse quantifiée de la marche en préopératoire et en post-opératoire (à 6 mois pour les PTH et à un an pour les PTG). Un groupe de témoins sains appariés suivait le même protocole. La vitesse de la marche, l’AAA de hanche et de genou, ainsi que des scores fonctionnels et de qualité de vie étaient évalués, pour tous les paramètres le gain était calculé. Les patients étaient répartis en 2 groupes : patients non-obèses (G1) : IMC<30 et patients obèses (G2) : IMC≥30 dans chacune des cohortes. Des t-tests appariés étaient utilisés pour évaluer (1) les différences pré- et post-opératoires entre G1 et G2, puis les différences de gain entre G1 et G2. Enfin une régression linéaire uni- et multivariée recherchait les associations entre l’IMC, la vitesse de la marche et les AAA.Résultats Pour les 2 cohortes : en préopératoire, la vitesse de la marche et les AAA étaient significativement plus bas chez les obèses. En post-opératoire la vitesse de la marche et les AAA étaient significativement plus bas pour tous les patients opérés d’une PTG ou d’une PTH comparativement au groupe témoin. En pré-opératoire les obèses étaient plus symptomatiques. Une différence significative était retrouvée entre G1 et G2 concernant l’amélioration de la douleur en faveur des obèses (sur le gain de WOMAC douleur pour les PTG et d’EVA pour les PTH). Pour tous les autres paramètres les gains n’étaient pas différents entre G1 et G2. La régression uni- et multivariée ne montrait pas de relation significative entre la vitesse de la marche, les AAA et l’IMC.Conclusion : L’IMC n’a pas d’effet délétère direct sur la récupération des paramètres de marche après une PTH ou une PTG. En effet malgré une symptomatologie pré-opératoire plus forte les patients obèses présentent une amélioration comparable en termes de gain aux patients non-obèses. Cependant les paramètres de marche post-opératoire après une PTH ou une PTG demeurent significativement plus bas que ceux des témoins et ce quel que soit l’IMC des patients opérés, sans récupération ad integrum clinique ou biomécanique de leur fonction de la hanche ou du genou. Ainsi l’obésité semble présenter un effet similaire sur la récupération des paramètres de marche après une PTH ou une PTG. / Introduction : Body Mass Index (BMI) impact on gait recovery after total hip and total knee arthroplasty (THA and TKA) remains misunderstood. Few studies have analyzed the influence of BMI on the recovery of hip and knee range of motion (ROM) during gait or walking speed after THA and TKA. Our objective was to assess this impact preoperatively and post-operatively using both 3D gait analysis and clinical assessment. Our hypothesis was that obesity (BMI> 30kg /m2) would be a negative factor in the recovery of gait parameters.Material and methods: After conducting a systematic review of the literature on functional recovery after total prostheses of the lower limb (THA and TKA) to ensure the originality of this work and its relevance we conducted 2 independent prospective studies: including 76 THA in hip osteoarthritis patients on the one hand and 79 TKA in knee osteoarthritis patients on the other hand. All patients had a quantified gait analysis of preoperatively and postoperatively (at 6 months for THA and 1 year for TKA). A control group of matched healthy people followed the same protocol. The gait speed, ROM hip and knee, as well as functional and quality of life scores were evaluated, for all parameters the gain was calculated. Patients were divided into 2 groups in each cohort: non-obese patients (G1): BMI <30kg/m2 and obese patients (G2): BMI≥30kg/m2. Paired t-tests were used to evaluate the pre- and post-operative differences between G1 and G2, then the differences in gain between G1 and G2. Finally, a uni- and multivariate linear regression sought associations between BMI, gait speed, and ROM.Results: In both cohorts: preoperatively, gait speed and ROM were significantly lower in obese patients. Postoperatively, walking speed and ROM were significantly lower for all patients undergoing TKA or THA compared with the control group. Preoperatively obese patients were more symptomatic. A significant difference was found between G1 and G2 regarding pain improvement in favor of the obese (on the gain of WOMAC pain for TKA and analogic pain scale for THA). For all other parameters the gains were not different between G1 and G2. Uni- and multivariate regression showed no significant relationship between gait speed, ROM and BMI.Conclusion: BMI has no direct negative effect on recovery of walking parameters after THA or TKA. Indeed despite a higher preoperative symptomatology obese patients show a comparable improvement in terms of gain to non-obese patients clinically and biomechanically. However, postoperative gait parameters after THA or TKA remain significantly lower than those of controls, regardless of the BMI of patients without full clinical or biomechanical recovery. Though, obesity appears to have a similar effect on the gait parameters recovery after THA or TKA.

Aujourd'hui, dans un monde globalisé, la conception des produits est en train de basculer vers la conceptiondistribuée multi-sites. En effet, la complexité des produits avec des contraintes économiques et d'ingénierie ontaccéléré la transformation et l'organisation des activités de conception en service-orientés dans un réseau distribué.Alors, la conception pour la configuration des produits émerge comme un outil efficace pour résoudre les nouveauxdéfis de la conception des produits. Beaucoup de recherches sur la conception pour la configuration considèrent leproblème de la conception pour la configuration uniquement comme un problème d'arrangement des composants.En effet, le processus de conception implique de multiple-métiers, la distribution des métiers et des acteurs, etl'interaction dans un environnement dynamique et incertain. De plus, nous pensons que la structure interne duprocessus de conception est une image homomorphe des discontinuités du produit perçu. En considérant l'espacede la conception pour la configuration comme multi vues, multi dimensionnels et incertain, cette thèse porte surl'étude de la conception pour la configuration comme un problème holistique.Nous avons proposé à étudier : (1) appréhender et modéliser la conception pour la configuration comme unproblème de recherche de consensus entre différents métiers ; (2) appréhender et modéliser les relations intra etinter domaines considérant la conception pour la configuration comme un problème holistique ; (3) formaliser lesgrammaires génératives pour la modélisation de produit dans les deux principaux espaces : fonctionnel et structurelet (4) modéliser les liens entre ces deux espaces à l'aide du concept d'holon de conception. A partir de cesconsidérations, nous établissons les hypothèses les plus importantes de notre recherche : (a) Hypothèse de multivues; (b) Hypothèse de flou ; (c) Hypothèse de dérivation ; (d) Hypothèse holistique et (e) Hypothèse d'attracteur.Nous avons décrit un modèle de conception pour la configuration dans lequel les aspects d'optimisation desconfigurations et la recherche des noyaux des configurations sont intégrés. D'ailleurs, nous avons proposé desgrammaires fonctionnelles floues graphes et des grammaires fonctionnelles floues formelles pour représentergraphiquement et formellement les structures fonctionnelles de produit. Nous avons aussi proposé une approche demodélisation holonique des configurations. Les concepts d'Holon Conception Floue et de l'Attracteur Flou sontproposés pour comprendre la coévolution dans la conception pour la configuration. Nous avons étudié un casindustriel de la conception pour la configuration à l'aide des modules pour un groupe motopropulseur / Product design is switching to the multi-site distributed design. Indeed, the complexity of products with engineeringand economic constraints have accelerated the transformation and organization of design activities into serviceorientedin a distributed network. So, design for product configuration emerges as an effective tool to address thenew challenges of product design. Many researches on design for configuration consider the design problem only asa problem of arrangement of components. Indeed, the design process involves multi-trades, distribution of tradesand actors, and interaction in a dynamic and uncertain environment. Moreover, we believe that the internal structureof the design process is a homomorphic image of the product perceived discontinuities. Considering the space ofthe design for the configuration as multi-views, multi-dimensional and uncertain, this thesis focuses on the study ofdesign for the configuration as a holistic problem.We proposed to study: (1) understand and model design for configuration as a consensus-building problem betweendifferent trades; (2) understand and model the relationships within and between domains considering the design forconfiguration as a holistic problem; (3) formalize the generative grammars for product modeling in two main spaces:functional and structural and (4) model the links between these two spaces with the concept of design holon. Fromthese considerations, we establish the most important assumptions of our research: (a) Assumption of multi-view;(b) Assumption of fuzzy; (c) Assumption of derivation; (d) Holistic assumption and (e) Assumption of attractor.We have described a design model for configuration wherein the optimization aspects of configurations andsearching of configurations cores are integrated. Moreover, we proposed fuzzy graphs functional grammars andformal fuzzy functional grammars to represent formally and graphically the functional structures of product. We alsoproposed an approach of holonic modeling for configurations. The concepts of Fuzzy Design Holon and FuzzyAttractor are proposed to understand the co-evolution in design for configuration. We studied an industrial case ofdesign for configuration using modules of a power train.

L’être humain est un être social amené à comprendre les comportements moteurs d’autrui. Selon la littérature, nous disposons de mécanismes cognitifs spécifiques, d’une part à la perception d’un corps humain (qu’il soit statique ou en mouvement), et d’autre part à la perception des expressions faciales émotionnelles. Ce travail de thèse vise à comprendre dans quelle mesure l'émotion véhiculée par le visage d'une personne, peut moduler notre perception de son action motrice. Les résultats de l’étude 1 ont montré que l’estimation de l’équilibre statique d’autrui pouvait être modulée par l’expression faciale émotionnelle (de sourire ou de crispation) exprimée par celui-ci. L’étude 2, a porté sur l’estimation de l’effort physique développé par une personne uniquement à partir de son expression faciale de douleur. Les résultats ont montré que les participants, dans ce type de tâche, utilisent deux mécanismes perceptifs automatiques. Le premier, mis en évidence par mesure fonctionnelle, facilite l’estimation de l’intensité de douleur à l’effort ressentie par autrui. Le second, démontré par la mesure d’un biais de mémorisation, entraîne une anticipation automatique de la suite de l’évolution de l’expression faciale de douleur à l’effort présentée. L’étude 3 a montré que l’estimation de l’effort physique développé par une personne atteinte de paraplégie réalisant un mouvement de transfert, est modulée par deux comportements de douleur (l’auto-protection et l’expression faciale de douleur). Toutefois, cette modulation diffère selon la familiarité des participants avec le monde médical et la paraplégie. En conclusion, ce travail de recherche propose que la modulation émotionnelle de la perception de l’action motrice d’autrui est en premier lieu sous-tendue par un processus automatique et implicite de contagion émotionnelle (bottom-up). Toutefois, cette dernière peut être inhibée par un processus explicite (top-down) qui dépendrait d’une part du type d’inférence à effectuer sur autrui (estimer l’équilibre postural ou l’effort physique développé), et d’autre part de la familiarité de l’observateur avec l’action motrice et les expressions faciales présentées. / Understanding others’ motor behaviour is part and parcel of Humans’ social experience. According to scientific literature, we rely on specific mechanisms for perceiving human bodies (whether static or moving) on the one hand, and processing emotional facial expressions on the other hand. This thesis aims to understand to what extent the emotion conveyed by a person’s face can modulate one’s perception of her/his motor action. Results of study 1 showed that our estimation of an individual’s static equilibrium is modulated by the observed individual’s emotional facial expression (smiling or tensed). Study 2 focused on perceptual estimation of the physical effort developed by a person on the basis of his facial expression of pain alone. Results revealed that participants adopt two automatic perceptual mechanisms. The first, highlighted via functional measurement, facilitates estimating the intensity of effort pain felt by others. The second, evidenced by measuring memory bias, leads to an automatic anticipation of the subsequent changes in the intensity of pain-related facial expressions. Study 3 showed that the estimation of physical effort developed by a paraplegic individual performing a transfer movement is modulated by two pain behaviours (guarding and facial expression of pain). Interestingly, this modulation varies with participants’ familiarity with both the medical domain and paraplegia. The conclusion of this research suggests that the modulation of emotional perception related to others’ motor action is primarily subtended by an automatic (bottom-up) process and an implicit emotional contagion. However, the latter can be inhibited by an explicit (top-down) process which may depend on (1) the type of inference made on others (estimating postural balance or physical effort developed in others), and (2) the familiarity of the observer with motor action and facial expressions.