Les étalons atomiques de fréquences jouent aujourd'hui un rôle clé en physique fondamentale mais se retrouvent aussi dans des applications "grand public" telles que les satellites de positionnement. Les contraintes de compacité posées sur ces horloges embarquées sont évidemment très grandes mais les besoins actuels poussent vers des horloges toujours plus performantes. Le projet HORACE (HOrloge à Refroidissement d'Atomes en CEllule) permet, grâce à l'utilisation d'atomes refroidis par laser et à une géométrie originale où toutes les interactions ont lieu directement dans la cavité micro-onde, d'obtenir d'excellentes performances en fréquence tout en préservant la compacité et la simplicité globale du dispositif. Ce mémoire expose les concepts fondateurs du projet HORACE. Il décrit par la suite la réalisation expérimentale du premier prototype à vocation métrologique de l'horloge HORACE. Il présente l'évaluation expérimentale et l'optimisation de la stabilité court-terme de l'horloge réalisée au laboratoire. L'étude de la séquence de refroidissement d'atomes en lumière isotrope a montré qu'environ $2~10^8$ atomes à une température de $35~\mu K$ pouvaient être obtenus. Par ailleurs, la très grande stabilité de cette technique permet d'observer que les fluctuations cycle à cycle du nombre d'atomes froids sont principalement limitées par le bruit de grenaille atomique, et ce jusqu'au niveau de $2~10^{-4}$. Cette grande stabilité a conduit à une simplification notable de la séquence expérimentale (refroidissement et détection) tout en préservant un rapport signal à bruit proche de 1000 en fonctionnement. L'horloge a montré une stabilité relative de fréquence de $2.2~10^{-13}~\tau^{-1/2}$ s'intégrant comme du bruit blanc jusqu'à quelques milliers de secondes. C'est à ce jour une des meilleures stabilités obtenues sur une horloge compacte. Ce résultat a pu être obtenu grâce à un fonctionnement où une partie des atomes froids sont recapturés d'un cycle à l'autre. Ceci permettant de réduire la durée de la phase de refroidissement jusqu'à 40~ms et d'obtenir \emph{in fine} un rapport cyclique proche de 50\%. La possibilité de faire fonctionner l'horloge à un taux de répétition élevé (12~Hz) relâche aussi les contraintes sur les spécifications en bruit de fréquence de l'oscillateur à quartz utilisé à terme. Enfin, les conclusions de cette étude sont extrapolées afin de prédire les performances attendues pour un fonctionnement en micro-gravité.

Du fait de leur grande exactitude, les comparaisons de fréquences atomiques permettent de réaliser des tests très contraignants des lois fondamentales de la physique. Les développements récents liés à l'utilisation d'atomes froids, aux progrès des étalons optiques de fréquence et au perfectionnement des méthodes de mesure des fréquences optiques, permettent de prévoir une amélioration très significative de ces tests. Dans ce mémoire, on montre d'abord comment des comparaisons de fréquences atomiques permettent de tester le Principe d'équivalence qui est à la base de la Relativité Générale. Plus précisément, ces comparaisons constituent des tests de la stabilité de certaines constantes fondamentales comme la constante de structure fine. La suite du mémoire décrit le développement d'une fontaine à atomes froids de césium 133 et de rubidium 87 permettant de comparer les fréquences hyperfines de ces deux atomes. L'amélioration de l'exactitude des horloges passe par la compréhension des effets systématiques qui influent sur leur fréquence. Dans ce mémoire, l'accent est mis sur l'étude des effets dépendant du nombre d'atomes qui fait l'objet de la troisième partie. Suit une description détaillée du montage de la fontaine puis des méthodes de comparaisons entre horloges atomiques de ce type. Les résultats expérimentaux sont regroupés dans une dernière partie. Ce travail a permis de mesurer les effets dépendant du nombre d'atomes dans le cas du rubidium avec une résolution relative de 4*10^-16. Les exactitudes obtenues avec le rubidium et le césium sont de 2*10^-15} et 1*10^-15 respectivement. La meilleure stabilité de fréquence obtenue est de 3.5*10^-14*tau^-1/2. Les comparaisons de fréquences réalisées conduisent à un test de stabilité de la constante de structure fine au niveau de 7.3*10^-15 par an, une résolution 5 fois meilleure que celle des précédents tests du même type.

Cette thèse regroupe une série de travaux concernant la structure et la dynamique des réseaux génétiques. Nous proposons tout d'abord une méthode de conception de réseaux génétiques par évolution in silico. Cette procédure vise à concevoir des motifs réalisant une fonction donnée sans aucune contrainte sur leurs structures a priori. L'algorithme a permis de trouver de nombreux motifs originaux et connus. Une comparaison avec les réseaux existants ainsi que diverses extensions possibles du champ d'application de l'algorithme sont proposées. Nous étudions dans une seconde partie les propriétés d'un motif fréquemment trouvé par cet algorithme et sur représenté dans les réseaux naturels. Ce module de rétroaction mixte (``Mixed Feedback Loop'' ou MFL) est constitué de deux protéines A et B, la protéine A régulant la transcription du gène b, les deux protéines formant un dimère inactif. Une analyse mathématique détaillée de ce module est proposée. En particulier, nous montrons que ce module peut se comporter soit comme un commutateur génétique bistable, soit comme un oscillateur. Un diagramme de phase ainsi qu'une description mathématique précise du cycle de l'oscillateur sont dérivés analytiquement. Enfin, dans une troisième partie, nous nous intéressons plus particulièrement à des exemples biologiques d'oscillateurs génétiques : les horloges circadiennes. Les propriétés générales de ces oscillateurs sont rappelées et un modèle pour l'horloge circadienne de Neurospora crassa, basé sur le réseau MFL, est proposé. En particulier, nous montrons l'importance d'une seconde boucle de rétroaction pour la robustesse des oscillations face à la variation des paramètres.

La mise au point des applications paralleles et reparties offre un cadre pour des recherches dans les domaines de l'analyse statique de programmes repartis, de l'observation des execution reparties, de la detection de proprietes reparties et de l'analyse post-mortem. C'est ce dernier domaine qui nous a plus particulierement interesse lors de la conception et de la realisation de l'outil CDB pour le systeme d'exploitation reparti a micro-noyau CHORUS. CDB permet d'enregistrer puis de reproduire l'execution d'applications re'parties complexes tournant au dessus du micro-noyau CHORUS, permettant ainsi d'appliquer la methode de mise au point cyclique a des programmes distribue's non deterministes. L'utilisation de CDB est transparente a l'application re-executee (aucune instrumentation n'est necessaire.) CDB est base sur des techniques modernes comme l'interposition, les compteurs d'instructions, la diffusion causale, les horloges logiques... Nous decrivons le support specifique du micro-noyau developpe pour supporter la re-execution, les algorithmes (parfois originaux) utilises par CDB, l'interface utilisateur de CDB et ses performances.

Les horloges circadiennes permettent aux organismes de synchroniser leurs processus physiologiques avec les variations périodiques de leur environnement telles que le cycle jour-nuit ou les cycles de prise alimentaire . Il n'est donc pas étonnant que les horloges périphériques des mammifères soient sensibles aux signaux de nourriture et soient capables d'ajuster les processus métaboliques (stockage et utilisation des ressources énergétiques) en fonction du status nutritionnel de la cellule. Or, notre style de vie moderne est caractérisé par une grande flexibilité au niveau des comportements alimentaire (heure des repas variable, grignotage, alimentation grasse,...) et cela est corrélé avec une forte augmentation de l'incidence des maladies métaboliques accompagnée de dérèglements de l'horloge. En particulier, les régimes high-fat entrainant de l'obésité sont associés à une importante perte d'amplitude des gènes d'horloge mais les mécanismes sous-jascents restent peu compris. Afin d'étudier ces questions, nous avons construit un modèle mathématique décrivant le couplage entre l'horloge du foie et les senseurs métaboliques SIRT1 et AMPK. Notre modèle reproduit précisément les données d'expression des principaux gènes d'horloge ainsi que l'effet d'une dérégulation de SIRT1 ou de l'AMPK. Dans ce modèle, l'activité de l'AMPK est considérée comme une mesure directe de l'alternance entre prise alimentaire et jeûne. Pour cette raison, nous nous sommes intéressés à l'effet de perturbations du rythme d'AMPK sur l'expression des gènes d'horloge. Le modèle montre qu'un amortissement du rythme d'AMPK donne lieu à une forte baisse d'amplitude dans l'expression des principaux gènes d'horloge et des niveaux de NAD+ similaire à ce qui est observé en régime high fat (ad libitum). Cela suggère fortement que les dérèglements de l'horloge observés dans ces conditions peuvent en bonne partie être expliqués par l'amortissement de l'activité de l'AMPK.Par ailleurs, des résultats expérimentaux récents (Hatori 2012) suggèrent une corrélation entre restauration de l'amplitude des gènes d'horloge et protection contre l'obésité en régime high fat. Le modèle permet de simuler l'administration pharmacologique d'un agoniste de l'horloge et montre que , suite un amortissement du rythme d'AMPK, l''amplitude des gènes d'horloge peut être restaurée mais uniquement si l'agoniste est administré à un moment bien précis de la journée. / To anticipate daily changes in their environment, most living organisms have evolved a circadian clock, which is synchronized to the diurnal cycle and orchestrates numerous biological functions. At organismal level, daylight is the main signal driving the clock. In multicellular organisms, however, clocks in peripheral organs respond to other cues. For example, the liver clock is primarily synchronized by fasting/feeding cycles and variations in the cellular metabolic state, as reflected by the NAD+/NADH and ATP/AMP ratios. To better understand the entrainment of peripheral circadian clocks by metabolic cycles, we have constructed a mathematical model of the mammalian circadian clock incorporating the metabolic sensors SIRT1 and AMPK. This model reproduces accurately experimental clock gene expression data from mouse liver in vivo and predicts correctly the effect of SIRT1 or AMPK loss-of-function. We used our mathematical model to investigate the response of the liver clock to various temporal patterns of AMPK activation, mimicking the effect of a normal diet, of fasting and of a high-fat diet feeding. Our results predict significant changes in clock gene expression and NAD+ time profiles between these situations. They suggest that the night peak in NAD+ level is due to circadian rhythms in NAMPT expression, while the day peak results from transient AMPK activation. Finally, we find that the loss of amplitude in expression rhythms observed when AMPK is depressed may be pharmacologically rescued using a timed REV-ERB agonist administration, suggesting strategies to fight against high fat diet-induced obesity.

Le traitement prospectif de l'information temporelle nécessaire à l'estimation précise d'un intervalle de temps dépend des ressources attentionnelles qui lui sont attribuées. Ainsi, la réalisation d'une tâche concurrente provoque un effet d'interférence qui affecte le processus d'accumulation d'informations temporelles lors de l'estimation du temps (voir Brown, 1997, 2008, 2010). De même, l'attente d'un signal durant l'estimation d'un intervalle de temps détourne l'attention du processus d'accumulation et provoque une sous-estimation temporelle proportionnelle à la durée de l'attente (p.ex., Buffardi, 1971; Casini & Macar, 1997; Fortin & Massé, 2000; . Rousseau, Picard, & Pitre, 1984). Cette forme spécifique et robuste d'interférence est appelée « effet de localisation ». L'objectif général de la présente thèse est d'étudier la modulation de l'effet de localisation dans une tâche de production temporelle avec interruption. Plus spécifiquement, l'influence de la durée objective et des consignes concernant l'utilisation du comptage chronométrique est examinée en relation avec l'estimation temporelle et les processus préparatoires prenant place avant l'interruption. Pour ce faire, trois expériences utilisant une tâche de production temporelle avec interruption (Chapitre II) et deux expériences utilisant une tâche de temps de réaction simple (Chapitre III) sont effectuées. La durée de l'intervalle cible et la localisation de l'interruption sont manipulées dans les expériences du Chapitre II, alors que la durée de la période préparatoire est manipulée, d'un bloc d'essais à l'autre et d'essai en essai à l'intérieur d'un bloc, dans les expériences du Chapitre III. Finalement, les consignes quant à l'utilisation du comptage chronométrique sont manipulées dans toutes les expériences de la thèse. Les résultats des expériences du Chapitre II montrent que l'effet de localisation peut être généralisé à des durées d'intervalles à produire variant entre 2 et 6 secondes et que l'introduction de consignes concernant l'utilisation du comptage chronométrique influence l'effet de localisation, possiblement en réduisant l'impact du partage attentionnel qui en est responsable. De plus, les résultats montrent que l'effet des consignes concernant l'utilisation du comptage chronométrique n'apparaît que si la durée à l'étude est suffisamment longue pour permettre la mise en place efficace de la stratégie. Par ailleurs, les résultats présentés au Chapitre III montrent également que l'utilisation du comptage chronométrique affecte la forme de la relation entre la durée de la période préparatoire et les temps de réaction, sans toutefois en affecter l'ampleur. Globalement, les résultats de l'ensemble des expériences de la thèse appuient et permettent de développer l'interprétation selon laquelle l'effet de localisation serait le résultat d'un partage attentionnel entre l'accumulation d'informations temporelles et la surveillance de l'arrivée du signal d'interruption. Les résultats suggèrent également que la contribution spécifique des processus préparatoires serait moins importante que celle du partage d'attention dans l'effet de localisation. De plus, le comptage chronométrique, comme l'estimation du temps, semble vulnérable à l'effet d'interférence provoqué par l'attente d'un signal d'interruption, ce qui appuie l'hypothèse théorique selon laquelle un mécanisme interne commun est utilisé pour compter et estimer le temps. Enfin, les résultats de la présente thèse démontrent l'influence déterminante des consignes concernant l'utilisation du comptage chronométrique dans l'étude du traitement de l'information temporelle.

Fortin, Bédard et Champagne (2004) observent que des productions temporelles sont plus longues lorsqu’au cours de la production, la durée d’interruption est la plus courte. Cet effet est interprété en reliant l’effet de la durée d ’interruption dans la production temporelle et l’effet de la période préparatoire dans les études de temps de réaction. Dans ces études, quand la durée de la période préparatoire est variée de façon aléatoire d’un essai à l’autre, le temps de réaction est plus long quand cette durée est la plus courte. Cependant, quand la durée la plus courte est présentée le plus souvent, l’effet d’allongement du temps de réaction est aboli. L’objectif des deux présentes expériences est de vérifier si l'augmentation de la probabilité de présentation de la durée d’interruption la plus courte abolit l'effet de la durée d'interruption lors d ’une production temporelle. Les résultats statistiques n’appuient pas cette hypothèse, mais montrent un affaiblissement de l’effet de durée d’interruption associé à l’augmentation de la probabilité de la plus courte durée.

La présente thèse porte sur le traitement de l'information temporelle dans la modalité auditive. L'objectif général de la thèse est de tester les caractéristiques d'une horloge interne qui serait à la base de la détection de variations de tempo générées avec des stimuli sonores. Un postulat central de la présente recherche est que le fonctionnement de l'horloge interne repose sur un processus oscillatoire. Or, la fréquence naturelle de cet oscillateur est une des principales caractéristiques de cette horloge. Les travaux antérieurs dans le domaine de la discrimination d'intervalles temporels suggèrent que cette fréquence naturelle est située autour de 1.7 Hz. La stratégie expérimentale développée pour tester les caractéristiques de ladite horloge interne se base sur une caractéristique intrinsèque de tout oscillateur : la tendance à retourner à sa fréquence naturelle. De plus, la mesure des temps de réponse lors de la détection de variations de tempo permet d'évaluer la facilité avec laquelle ces variations sont détectées, des temps de réponse plus courts correspondant à une détection plus facile. Aussi, il est possible d'émettre des hypothèses précises quant aux réactions de l'oscillateur temporel à des accélérations et à des décélérations de tempo. Pour des stimuli sonores dont la fréquence de départ (tempo) est inférieure à la fréquence naturelle, une décélération de tempo devrait être plus facile à détecter qu'une accélération de tempo car la tendance à retourner à la fréquence naturelle va dans le même sens que les accélérations. Par ailleurs, dans, le contexte d'une fréquence de départ inférieure à la fréquence naturelle, l'écart perçu entre le tempo de départ et le tempo modifié devrait être plus grand pour les décélérations. À l'inverse, pour les tempi de départ supérieurs à la fréquence naturelle, une accélération serait plus facile à détecter qu'une décélération. Finalement, pour un tempo de départ égal à la fréquence naturelle, les décélérations et les accélérations devraient, l'une et l'autre, être aussi faciles à détecter. Cette stratégie expérimentale permet d'élaborer des hypothèses spécifiques en fonction de quatre contextes expérimentaux précis qui diffèrent principalement quant à la gamme de fréquences de départ utilisée. Chacune des quatre expériences de la thèse correspond à un de ces quatre contextes expérimentaux. Dans chacune de ces expériences, les variables indépendantes sont le sens (ou le signe) de la variation de tempo (accélération ou décélération) ainsi que la fréquence de départ du stimulus sonore employé (tempo). Les variables dépendantes sont le pourcentage d'erreurs et le temps de réponse pour les réponses correctes. Les mesures ont été effectuées avec la Méthode dite des Stimuli Dynamiques qui utilise des variations graduelles du stimulus par opposition à la Méthode des Stimuli Constants qui utilise des stimuli statiques. Dans la première des quatre expériences, les fréquences de départ se situent de part et d'autre de la fréquence naturelle attendue, i.e., de 1.45 à 2 Hz. Les résultats sont cohérents avec ceux de la littérature et permettent de confirmer que la fréquence naturelle de l'horloge interne serait autour de 1.69 Hz. Dans la seconde expérience, les fréquences de départ se situent de part et d'autre de la seconde harmonique de la fréquence naturelle attendue, i.e., de 2.9 à 4 Hz. Les résultats affichent globalement des résultats et patrons similaires à l'Expérience 1, mais l'appariement entre les prédictions des patrons de moyennes de temps de réponse et les résultats est moins probant que pour l'expérience précédente. Afin de confirmer un effet attribuable à une fréquence naturelle, par opposition à une hypothèse où la fréquence moyenne de la session expérimentale serait le facteur déterminant, les fréquences de départ de l'Expérience 3 se situent entre les gammes de fréquences utilisées dans les expériences précédentes (1.9 à 3 Hz), i.e., entre la fréquence naturelle et la seconde harmonique. L'Expérience 3 montre que la réaction de l'oscillateur temporel dépend de la fréquence de départ et de la gamme de fréquences utilisée en rapport avec la fréquence naturelle plutôt que d'une fréquence moyenne de la session expérimentale. Dans l'Expérience 4, les fréquences de départ constituent un regroupement des fréquences utilisées pour les Expériences 2 et 3, i.e., de 1.8 à 4 Hz. Les résultats obtenus à l'Expérience 4 dépendaient principalement des résultats obtenus lors de l'Expérience 3 et sont consistants avec ceux-ci. Ainsi, les résultats de cette quatrième expérience renforcent les conclusions des expériences précédentes quant à la fréquence naturelle. Ces résultats sont aussi interprétés comme étant le fruit d'une commutation de l'oscillateur temporel entre sa fréquence naturelle et sa deuxième harmonique. Plus spécifiquement, ces résultats indiquent que la commutation de l'oscillateur temporel de sa fréquence naturelle vers sa deuxième harmonique prend plus de temps que la commutation de la deuxième harmonique vers la fréquence naturelle. L'ensemble de la démarche empirique montre qu'il est possible d'interpréter efficacement les niveaux de détection de variations de tempo sur la base de l'hypothèse de l'existence d'une horloge interne faite d'un oscillateur ayant une fréquence naturelle spécifique. En plus de montrer que cette fréquence se situe autour de 1.69 Hz, les expériences permettent d'établir certaines particularités des processus oscillatoires de l'horloge interne (i.e. l'existence de commutation entre la fréquence naturelle et sa deuxième harmonique et une tendance à retourner à la fréquence naturelle moins importante dans le cas où les fréquences de départ sont inférieures à la fréquence naturelle).

L’inadaptation des travailleurs aux horaires de nuit est très souvent la cause de nombreux accidents de travail, de diminution de la performance ou de dégradation de leur santé affectée par des pathologies principalement liées aux troubles des rythmes circadiens. Les conséquences socio-économiques sont énormes et cette problématique va encore s’étendre dans le futur avec les exigences et les nécessités du travail de nuit. L’absence de la lumière naturelle du jour et les caractéristiques spectrales impropres des lumières artificielles utilisées la nuit sont généralement responsables de cette inadaptation au travail de nuit. De nombreuses recherches scientifiques ont montré l’existence d’interactions entre lumière, oeil et horloge biologique. Puisque les ondes bleues et rouges, en particulier, joueraient un rôle déterminant dans l’accroissement et le maintien de la vigilance des travailleurs, le laboratoire de photobiologie de l’université Laval propose, dans le cadre de ses activités de recherche, une solution de contrôle de l’horloge biologique par une lumière artificielle spécifique dans le but de favoriser l’adaptabilité des travailleurs aux horaires de nuit. La solution préconisée consiste en un dispositif de transformation d’un signal électrique de faible puissance en signal photonique calibré, riche en bleu et légèrement dosé de rouge. Pour évaluer son efficacité, notamment sur l’état de vigilance, nous avons conçu et développé une méthodologie comprenant un banc d’essai et une expérience dans un espace multivariable capable de traduire les modifications générées sur les comportements psychophysiologiques. La concentration de la mélatonine1 est la mesure la plus privilégiée comme marqueur de phase circadienne et de la réponse de l’horloge biologique. Mais son utilisation est ardue, contraignante et son obtention est non instantanée. C’est pourquoi nous proposons aussi d’explorer, au moyen de la méthodologie développée, la variabilité du rythme cardiaque comme marqueur biologique des effets de la lumière. Le rythme cardiaque présente l’avantage d ’être facilement accessible, sa mesure est non invasive et sa réponse est presque immédiate à des phénomènes rapides comme la lumière. De plus, la relation établie entre température et vigilance pourrait être reflétée similairement avec les composantes très basses fréquences de la variabilité du rythme cardiaque, lesquelles caractérisent le phénomène de la thermorégulation. C’est dans cette perspective que nous chercherons à mettre en évidence, dans la variabilité du rythme cardiaque, un marqueur spécifique des effets d ’un signal photonique calibré. Nous introduirons aussi l’utilisation d’outils d’analyses spectrales que nous appliquerons sur des fenêtres temporelles glissantes d’une largeur contrôlée. La méthodologie arborée, avec la représentation spectrale de la variable du rythme cardiaque, a permis d ’identifier une sensibilité marquée, principalement des composantes de la thermorégulation (0,02 - 0,05 Hz), aux signaux photoniques combinant des ondes bleues et rouges. Le signal photonique bichromatique bleu rouge puisé (BR ) semblerait montrer une efficacité encore plus élevée comparée au signal bleu rouge continu (BR). Cette efficacité est interprétée indirectement par un accroissement de la vigilance, car l’énergie de la thermorégulation baisse avec l’augmentation de la température corporelle qui est elle-même corolaire à l’augmentation de la vigilance.

Il est communément accepté que des patients déprimés rapportent que le temps semble passer lentement. Des travaux récents ont démontré l’existence d’une horloge interne responsable de la mesure du temps psychologique. Cette horloge est associée à l’activité d’un réseau cérébral complexe impliquant les noyaux gris centraux, la région préfrontale et le cervelet. Le but de l’étude est de vérifier si cet allongement du temps perçu serait lié à une déficience de l’horloge interne chez les déprimés et si le ralentissement psychomoteur (RPM) est lié à cette perception. Pour ce faire, les performances de quatorze patients atteints de dépression majeure sont comparées à celles de quatorze volontaires sains dans une tâche de frappe cadencée. Les sujets devaient taper, sur une touche, une série de 40 frappes à la même vitesse qu’une cadence sonore qu’ils venaient d’entendre. La frappe cadencée se faisait Hans trois conditions: 1) la plus rapide possible, 2) à intervalle de 500ms et 3) à intervalle d’une seconde. Le modèle de Wing et Kristofiferson (1973) a permis d’identifier un déficit dans la variabilité processus d’horloge chez les déprimés. Le RPM ne semble pas lié aux processus d’horloge interne.