L’utilisation de nano-objets luminescents en milieu biologique est devenue très répandue, notamment en vue d’applications biomédical est elles que l’imagerie, la thérapie et le diagnostic. Jusqu’à récemment, les principaux travaux réalisés dans ce domaine concernaient les nanoparticules de silice dopées ou fonctionnalisées avec des molécules organiques, les nanoparticules d’or et les nanoparticules semi-conductrices (quantum dots, i.e., QDs). Toutefois, un certain nombre de limitations demeurent pour les applications dans le domaine du vivant, en lien notamment avec des problèmes de stabilité, de biocompatibilité et de toxicité ou encore de biodégradabilité. En parallèle,un certain nombre de molécules organiques fluorescentes non-toxiques ont été utilisées comme sondes fluorescentes en milieu biologique, mais leur brillance demeure limitée. L’idée directrice de la thèse est de concevoir et synthétiser de nouveaux chromophores organiques présentant une émission modulable (du visible au proche infrarouge) et adaptés à la préparation de nanoparticules organiques fluorescentes (FONs) combinant à la fois une brillance extrêmement élevée, une excellente stabilité colloïdale et une photostabilité adaptée à leur utilisation en imagerie in vitro et in vivo. De tels nanoobjets ultra-brillants pourraient alors représenter une alternative très intéressante aux nanoparticules actuellement les plus utilisées en imagerie de fluorescence du vivant (QDs). Le manuscrit décrit la synthèse et les propriétés de plusieurs classes de molécules fluorescentes spécifiquement conçues pour former des telles FONS par auto-assemblage dans l’eau. La préparation de ces FONs est présentée et leurs propriétés étudiées et discutées. Enfin des applications concrètes en bio-imagerie sont présentées. / Nowadays the use of bright luminescent nano-objects in biological environment is a topic that is gaining more and more importance, especially for biomedical applications such as imaging, the rapyand diagnostic. So far, numerous studies have been conducted with gold nanoparticles, silica nanoparticles (doped or functionalized with organic molecules), as well as semiconductor nanoparticles (quantum dots, i.e., QDs). However, most of these nanoparticles suffer from drawbacks (in terms of stability, biocompatibility, eco-toxicity or degradability). On the other hand, several nontoxic fluorescent molecular probes have been widely used, but most of the time their brightness remain modest in biological environments compared to QDs. Our idea is to engineer new organicchromophores with tunable emission wavelength (from visible to near infrared) for further preparation of organic fluorescent nanoparticles (so called FONs) that display giant one-photon and two-photonbrightness, as well as good colloidal and chemical stability, and suitable photostability for in vitro andin vivo imaging. As such, these FONs would represent interesting alternatives to QDs for use in bioimaging. This manuscript describes the synthesis and characterization of new classes of fluorescent molecules specifically engineered as building blocks for the fast preparation of such nanoparticles byself-aggregation in water. The FONs were fully characterized from both morphological and photophysical points of view and further used in bioimaging.

Les nanoparticules inorganiques luminescentes ont suscité un intérêt croissant au cours des dernières décennies, notamment pour leur application en imagerie biologique. Un certain nombre d’entre elles présentent toutefois des limitations telles que toxicité, absence de biodégradabilité, faible brillance, clignotements…. Dans cette optique, les nanoparticules fluorescentes à base de petites molécules organiques (FONs) offrent une solution alternative prometteuse aux nanoparticules inorganiques pour l'imagerie biologique. Le principal défi réside dans l'élaboration des nanoparticules organiques possédant une brillance élevée, une bonne stabilité dans l'eau (y compris en milieu biologique), une bonne biocompatibilité ainsi qu'une émission accordable dans le visible et au-delà dans le proche infrarouge (pour une détection plus aisée en milieu diffusant). Dans cette optique, nous avons utilisé une stratégie basée sur l’utilisation de chromophores dipolaires de type "push pull" « adaptés ». Au cours du travail, la synthèse de séries de chromophores homologues bâtis sur le même système conjugué et ayant en commun un groupe donneur de type triphénylamine (destiné à préserver les propriétés de luminescence) présentant ou non des motifs encombrants positionnés a été réalisée. Les nanoparticules correspondantes ont été préparées selon un protocole classique, simple et rapide à mettre en oeuvre (précipitation). L’étude des propriétés photophysiques des nanoparticules organiques fluorescentes ainsi obtenues a été réalisée et mise en perspective avec celles des chromophores en solution dans des solvants organiques de polarité variable. Une étude systématique de l’évolution dans le temps des propriétés optiques des nanoparticules organiques a été réalisée permettant de mettre en lumière des relations entre la structure des sous-unités chromophoriques et la stabilité colloïdale et « optique » des nanoparticules. Ces études ont permis d’identifier des nanoparticules émettant dans le proche infrarouge extrêmement brillantes et présentant une stabilité colloïdale remarquable dans l’eau, une photostabilité accrue et une très bonne biocompatibilité. De ce fait, ces nanoparticules ont pu être utilisées avec succès dans l'imagerie biologique des cellules et le suivi (tracking) à l'échelle de la particule unique, démontrant l'intérêt de la démarche d'ingénierie mise en oeuvre. / During the last decades, luminescent inorganic nanoparticles have attracted a large interest in different fields including biological imaging. However, a number of them have drawbacks such as toxicity and absence of biodegradability. Recently, molecular-based fluorescent organic nanoparticles (FONs) have emerged as a promising alternative to inorganic nanoparticles for bioimaging. The main challenge lies in the elaboration of organic nanoparticles that combine large brightness, good colloidal stability in biological environments) and biocompatibility as well as NIR emission (to allow improved detection in thick tissues). To achieve this objective, we have implemented a molecular engineering strategy based on dedicated polar and polarizable "push pull" chromophore built from a triphenylamine donor moiety and a specific pi-conjugated system. The corresponding nanoparticles were readily prepared by the reprecipitation method. In the present manuscript, the synthesis of the chromophores and the preparation and characterization of the organic fluorescent nanoparticles is described. A comprehensive investigation of their photophysical properties and study of their colloidal stability is presented allowing to derive structure-property relationships. The implemented study led to innovative NIR-emitting nanoparticles combining large brightness (superior to those of QDs and NIR-emitting organic dyes), remarkable colloid stability and suitable photostability. These nanoparticles have been successfully used for single particle tracking and imaging in cells, while no toxic effect was observed.

Le contrôle de l'organisation spatiotemporelle des biomolécules à l'intérieur des cellules vivantes est fondamental pour déchiffrer les mécanismes qui règlent les voies de signalisation cellulaire et leur régulation. Dans ce projet de thèse nous présentons une nouvelle méthode pour induire une perturbation très spécifique et locale des voies de signalisation à l'intérieur des cellules vivantes: la magnétogénétique. Elle est basée sur l'utilisation de nanoparticules magnétiques biofonctionnalisée, pour induire et maintenir des gradients de protéines à l'intérieur des cellules vivantes.Nous avons modifié la taille et la surface de deux différentes types de particules, les nanoparticules superparamagnétiques synthétiques avec couche de silice et les nanoparticules basées sur la protéine GFP-ferritine, afin d'assurer une mobilité libre dans le cytosol. Ces nanoparticules peuvent être localisées rapidement dans les cellules vivantes grâce à leur diffusion biaisée par des forces magnétiques faibles, dans l'ordre du fN. En combinaison avec une fonctionnalisation de surface spécifique pour la capture des protéines d'intérêt ainsi que un chargement efficace des nanoparticules dans le cytoplasme, nous présentons une technologie capable de contrôler des gradients de protéines intracellulaires avec une résolution spatiale du micromètre et une résolution temporelle de quelques dizaines de secondes.Dans ce travail nous avons montré la possibilité de contrôler avec précision la perturbation des voies de signalisation associées aux petites protéines Rho GTPases et nous avons quantifié la propagation du signal en termes de recrutement des effecteurs et des changement morphologiques. / Controlling the spatio-temporal organization of biomolecules inside living cells is a major rerequisite for deciphering mechanisms governing cell signaling and its regulation. In this thesis project, a new method to induce a highly specific and local perturbation of signaling pathways inside living cells is presented: magnetogenetics. It is based on the use of biofunctionalized magnetic nanoparticles, to induce and maintain protein gradients inside living cells. We tailored the size and surface properties of both synthetic silica core shell nanoparticles and superparamagnetic GFP-ferritin-based nanoparticles in order to ensure unhindered mobility in the cytosol. These nanoparticles can be rapidly localized in living cells by exploiting biased diffusion at weak magnetic forces in the fN range. In combination with nanoparticles' surface functionalization for specific in situ capturing of target proteins as well as efficient delivery into the cytosplasm, this work presents a novel technology for controlling intracellular protein gradients with a spatial resolution of micrometers and a temporal resolution of a few tens of seconds. In this work we showed the possibility to precisely control the perturbation of the signaling pathways associated to the small Rho GTPases proteins with relative quantification on signal propagation in terms of effector recruitment and morphological changes.

Les Quantum Dots colloidaux (QDs) sont des nanocristaux colloidaux de semiconducteurs aux propriétés optiques uniques : finesse spectrale d’émission, large gamme spectrale d’excitation, brillance élevée. Cependant, leurs applications sont encore limitées par le clignotement de leur émission de fluorescence à l’échelle de la particule unique.Ce travail se concentre sur l’amélioration des propriétés optiques des QDs de CdSe/CdS, ainsi que sur leurs applications biologiques. Le développement d’une synthèse de nanocristaux de CdSe/CdS à coque épaisse a permis d’obtenir facilement des QDs non-clignotants à partir de cœurs de CdSe de cristallinité différente. Cependant, c’est QDs oscillent entre un état brillant et un état gris. La synthèse de QDs de CdSe/CdS à coque épaisse avec un gradient de composition entre le cœur et la coque produit des nanocristaux dont l’émission de fluorescence est parfaitement stable au cours du temps, et donc les rendements quantiques du mono- et du biexciton sont à 100% à l’air, à température ambiante. Les recombinaisons multiexcitoniques sont également efficaces permettant à un QD unique d’émettre de la lumière blanche à forte excitation. La croissance d’une coque d’or autour d’un QD (QDs-dorés) favorise le couplage entre l’exciton du semiconducteur et les plasmons du métal. Cet effet Purcell a pour conséquence d’accélérer les phénomènes radiatifs, diminuant le temps de vie et supprimant le clignotement du QD. De plus, la couche d’or agit comme une barrière contre la photooxydation et les QDs-dorés présentent une résistance plus élevée aux fortes puissantes d’excitation. Le contrôle de la forme des nanocristaux a permis la synthèse de nanoplaquettes, structures bidimensionnelles dont l’épaisseur est contrôlée à la monocouche atomique près. Une nouvelle synthèse de nanoplaquettes cœur/coque conduit à des propriétés intéressantes tant par la pureté de l’émission des nanocristaux que par leur résistance en température. Enfin, les QDs de CdSe/CdS, de par leur brillance et faible photoblanchiment, sont d’excellentes sondes fluorescentes pour l’imagerie biologique. Leur fluorescence et leur structure inorganique ont permis de réaliser de l’imagerie bimodale optique/électronique pour déterminer le nombre et la localisation précise de récepteurs synaptiques dans C. elegans. La monofonctionnalisation des QDs, nécessaire pour sonder certaines voies d’endocytose dans les cellules, a été réalisée grâce à l’encapsulation des QDs dans une nanocage d’ADN dont la formation est parfaitement contrôlée, à la base près. Ce complexe cage d’ADN – QDs a permis de suivre la dynamique d’endocytose des toxines Shiga dans la voie d’endocytose rétrograde jusqu’à l’appareil de Golgi. / Colloidal Quantum Dots (QDs) are colloidal semiconductor nanocrystals with unique optical properties: narrow emission spectrum, large spectral range of excitation, high brightness. However, their applications are still limited by the blinking of their fluorescence emission at the single particle scale. This work focuses on the improvement of optical properties of CdSe/CdS QDs, as well as on the biological applications. The development of a synthesis of thick-shell CdSe/CdS nanocristals allowed easy obtaining of non-blinking QDs from CdSe cores of different crystallinity. However, these QDs flicker between an on and a grey state. The synthesis of thick-shell CdSe/CdS QDs with a composition gradient between the core and the shell produces nanocrystals whose fluorescence emission is perfectly stable with time. The quantum yields of the mono- and biexciton are 100% in air, at room temperature. Multiexcitonic recombinations are also efficient making a single QD emit white light under strong excitation. The growth of a gold nanoshell around a QD (golden-QDs) allows the coupling of the exciton of the semiconductor and the metal plasmons. This Purcell effect speeds up all the radiative processes, decreasing the lifetime and eliminating the blinking. Besides, the gold shell acts as a barrier against photooxidation and the golden-QDs show increased resistance to high excitation powers. The control of the shape of nanocrystals allowed the synthesis of nanoplatelets, bidimensionnal structures whose thickness is controlled to the atomic monolayer. A new synthesis of core/shell nanoplatelets leads to interesting properties due to the purity of the emission of the nanocrystals and to their resistance with temperature. Finally, Cdse/CdS QDs, because of the low photobleaching and high brightness, are excellent fluorescent probes for biological imaging. Their fluorescence and their inorganic structure were taken advantage of to perform bimodal optical/electron imaging to precisely localize and count synaptic receptors in C. elegans. Monofunctionalization of QDs, required to probe some endocytosis pathways in cells, was performed thanks to encapsulation of QDs in a DNA nanocage whose formation is perfectly controlled. This DNA cage – QD complex was used to study the dynamics of endocytosis of Shiga toxin in the retrograde endocytosis pathway, up to the Golgi apparatus.

L'étude de la dynamique des protéines est essentielle pour comprendre les processus biologiques. Notre laboratoire a développé une nouvelle classe de protéines fluorescentes semi-synthétiques, appelée Fluorescence-Activating and absorption-Shifting Tag (FAST). Cette thèse de doctorat présente le développement de nouveaux systèmes FAST avec diverses propriétés pour l'imagerie multiplexée. Nous avons développé une série de fluorogènes permettant de modifier la couleur de FAST de vert-jaune à orange et rouge. Au delà de l’application de l’imagerie multi-couleurs, ces fluorogènes permettant un échange dynamique des couleurs grâce à la liaison réversible de FAST, ouvrant de nouvelles perspectives pour le développement de méthodes d’imagerie sélective reposant sur la dynamique de systèmes réactifs. Pour étendre davantage les propriétés spectrales de FAST vers le rouge lointain, nous avons développé une nouvelle série de fluorogènes rouges, pour lesquels nous avons sélectionné par une stratégie d'évolution dirigée basée sur le yeast display et la cytométrie en flux de nouveaux tags protéiques capables d’interagir avec ces fluorogènes et d’activer leur fluorescence. Nous avons enfin développé de nouveaux fluorogènes capables de former des complexes fluorescents avec FAST, mais incapables de traverser la membrane plasmique, ce qui permet de détecter sélectivement les protéines membranaires. / Studying protein activities could help us to understand the complex mechanisms controlling cells and organisms. Our laboratory recently developed Fluorescence-Activating and absorption-Shifting Tag (FAST), a small fluorogen-based reporter enabling to fluorescently label fusion proteins in living cells. My PhD thesis presents the developments of new FAST systems with various properties for multiplexed imaging. We report a collection of fluorogens enabling to tune the fluorescence color of FAST from green-yellow to orange and red. Beyond allowing multicolor imaging of FAST-tagged proteins in live cells, these fluorogens enable dynamic color switching because of FAST’s reversible labeling, opening great prospects for the design of selective imaging methods relying on dynamic systems. In order to further expand the spectral properties of FAST to red, we also designed and developed a library of red fluorogenic dyes, for which we engineered specific protein binders by applying a directed evolution strategy based on the yeast display technology and high-throughput fluorescence activating cell sorting (FACS). We finally developed novel fluorogens able to form fluorescent complexes with FAST, but incapable of crossing the plasma membrane, which makes it possible to selectively detect FAST-tagged cell-surface proteins.

Les antibiotiques ont été utilisés pour le traitement des infections bactériennes depuis plus de 70 ans, sauvant des millions de vies. Cependant, leur mauvaise et sur-utilisation ont conduit à l’émergence de la résistance bactérienne. Outre le développement de nouvelles familles d'antibiotiques, la détection rapide et sensible de bactéries est très importante pour le diagnostic médical. Les polymères fluorescents représentent un grand potentiel, car ils sont faciles à fonctionnaliser, synthétiser et greffer. Les films sont plus pratiques, faciles à manipuler et peuvent être réutilisés, ce qui n'est pas le cas des méthodes de détection en solution. L’objectif de ce travail est de développer un film de polymère nanostructuré fluorescent et sensible sur des surfaces de verre pour la détection bactérienne. Sur la base de la méthode de polymérisation radicalaire par transfert de chaîne réversible par addition-fragmentation (RAFT), trois types de polyélectrolytes fluorescents à base de BODIPY (FPC) ont été synthétisés : des chaînes relativement courtes à caractère polyélectrolyte faible (SW FPC), des chaînes courtes à caractère polyélectrolyte fort (SS FPC) et enfin des chaînes longues à caractère polyélectrolyte faible (FPC LW). Les films FPC LbL ont été élaborés sur des lames en verre par interaction électrostatique. Les propriétés photophysiques et de surface des FPC LbL ont été contrôlées en ajustant les conditions de dépôt. Les films FPC LbL à base de BODIPY ont été utilisés comme dispositif de première génération pour la détection de E. coli. Dans l'étape suivante, la sensibilité des films a été augmentée en utilisant le principe de fluorescence exaltée par plasmon (Metal Enhanced Fluorescence MEF). Un film LbL -MEF a été préparé et testé pour la détection de bactéries. Des nanoparticules d'or sphériques (Au NPs) ont été synthétisées et recouvertes de poly(chlorhydrate d'allylamine) (PAH). Le FPC LW a été sélectionné comme couche fluorescente. Différents films contenant des Au NPs et LW FPC- ont été fabriqués. La distance entre les NPs Au et LW FPC- a été ajustée par l'ajout de deux polymères de charge opposée (PC + et PC-). Les deux surfaces de AuNP / 4 couches PC / LWFPC- et Au NPs / 8 couches PC / LWFPC- ont montré que E. coli peut être ciblée par LW FPC-.La sélectivité des films LbL a été ajoutée en introduisant un anticorps comme site de reconnaissance spécifique. Le polyanion et le polycation avec le groupe fonctionnel 4-dibenzocyclooctynol (DIBO) ont été assemblés sur des lames de verre activées. L'anticorps anti-E. coli a ensuite été introduit sur la surface en une seule étape via la réaction de cycloaddition azide-alcyne (SPAAC). Le nombre d'E. coli capturées dépend de la concentration d’anticorps sur la surface. La surface a montré une sélectivité significative pour E. coli, comparée à B. subtilis.La croissance bactérienne peut être détectée sur un film mince LbL en introduisant un fluorophore sensible au pH (fluorescéine). En effet, la croissance des bactéries est souvent associée à une diminution du pH du milieu due à une libération de métabolites acides. Nous avons préparé avec succès différents types de films LbL sensibles au pH. Dans un premier temps, la synthèse de différents polyanions fonctionnalisés (chaîne courte et longue de DIBO-PC et polymère fluorescent rouge) a été achevée. Ensuite, trois types de surfaces sensibles au pH contenant de la fluorescéine (DIBO-SWPC- / fluorescéine, DIBO-LW PC- / fluorescéine et ratiométrique RFPC- / fluorescéine) ont été préparés sur la base d'assemblage LbL et de chimie click. Enfin, trois surfaces sensibles au pH ont été étudiées pour la détection de la croissance des bactéries. Toutes les surfaces étaient biocompatibles, le nombre de E. coli augmentait même après plusieurs heures d'incubation sur chaque surface. La détection par le changement de fluorescence est en cours de développement. / Antibiotics have been used for the treatment of bacterial infections for over 70 years, saving millions of lives. The current antibiotic resistance crisis has been attributed to the overuse and misuse of these medications. Therefore, the prevention of infection transmission by the rapid and sensitive detection of antibiotic resistant strains is needed in managing this crisis. Fluorescent polymers show great potential for bacteria detection, because they are easy to functionalize, reproduce and graft. Compared with the methods used for bacterial detection in liquid, bacterial detection on a film surface is more convenient, easier to handle and is applied in devices that can be easily reused. The goal of my PhD work is to develop fluorescent and sensitive nanostructured polymer films on surfaces for bacterial detection. Three types of BODIPY-based fluorescent polyelectrolytes (FPC) with different features were synthetized based on reversible addition-fragmentation transfer (RAFT) polymerization: relatively Short chains and Weak polyelectrolytes (SW FPC), Short chains and Strong polyelectrolytes (SS FPCs) and Long chains and Weak polyelectrolytes (LW FPCs). FPC LbL films were fabricated on activated glass slides by means of electrostatic attraction. The photophysical and surface properties of FPC LbL fims were easily controlled by adjusting the deposition conditions.The following step aimed at increasing the films’ sensitivity by using the metal-enhanced fluorescence (MEF) principle. A MEF based LbL film was prepared and tested for bacteria detection. Spherical gold nanoparticles (Au NPs) were synthesized and coated with poly(allylamine hydrochloride) (PAH). The LW FPC- was selected as the fluorescent layer. Different films containing Au NPs and LW FPC- were fabricated and the distance between the Au NPs and LW FPC- was adjusted by changing the numbers of layers with two oppositely charged polymers (PC+ and PC-). Both Au NPs/4 layers PCs/LWFPC- and Au NPs/8 layers PCs/LWFPC- surfaces indicated that E. coli can be detected by LW FPC-.The selectivity of LbL films was added by introducing an antibody on the surface of the film to provide specific recognition of a chosen bacterial strain. This LbL surface achieved a rapid, effective and specific detection of E. coli bacteria. The polyanion and polycation with a 4-dibenzocyclooctynol (DIBO) functional group were assembled on the activated glass slides and an anti-E. coli antibody containing an azide group was efficiently introduced on the surface in a single step based on the azide-alkyne cycloadditions (SPAAC) reaction. The number of E. coli captured on the surface was shown to be dependent on the amount of antibody on the surface. The anti-E. coli antibody surface showed significant selectivity for E. coli, compared with B. subtilis. An alternative approach is to detect bacterial growth on thin LbL film by introducing pH sensitive fluorophore (fluorescein). The growth of bacteria is often associated with a decrease in pH of the growth medium due to a release of acidic metabolites. Different types of pH sensitive LbL film were prepared and tested for the detection of bacterial growth. Firstly, the synthesis of different functionalized polyanions (short and long chain of DIBO-PC- and red fluorescent polymer) was carried out. Three types of pH sensitive surfaces containing fluorescein (DIBO-SWPC-/fluorescein, DIBO-LW PC-/fluorescein and ratiometric RFPC-/fluorescein surfaces) were prepared based on the combination of LbL assembly and copper-free click chemistry. Finally, three pH sensitive surfaces were studied for bacteria growth detection. All the surfaces were shown to be biocompatible, the number of E. coli increased after several hours of incubation on each surface, as detected by brightfield microscopy imaging. The application for the fluorophore-dependent detection of bacterial growth remains to be developed.

Nous nous intéressons dans cette thèse au problème de l'estimation dense du mouvement dans des séquences d'images, également désigné sous le terme de flot optique. Les approches usuelles exploitent une paramétrisation locale ou une régularisation globale du champ de déplacement. Nous explorons plusieurs façons de combiner ces deux stratégies, pour surmonter leurs limitations respectives. Nous nous plaçons dans un premier temps dans un cadre variationnel global, et considérons un filtrage local du terme de données. Nous proposons un filtrage spatialement adaptatif, optimisé conjointement au mouvement, pour empêcher le sur-lissage induit par le filtrage spatialement constant. Dans une seconde partie, nous proposons un cadre générique d'agrégation pour l'estimation du flot optique. Sous sa forme générale, il consiste en une estimation locale de candidats de mouvements, suivie de leur combinaison à l'étape d'agrégation avec un modèle global. Ce schéma permet une estimation efficace des grands déplacements et des discontinuités de mouvement. Nous développons également une méthode générique de gestion des occultations. Notre méthode est validée par une analyse expérimentale conséquente sur des bases de données de référence en vision par ordinateur. Nous démontrons la supériorité de notre méthode par rapport à l'état de l'art sur les séquences présentant de grands déplacements. La dernière partie de la thèse est consacrée à l'adaptation des approches précédentes à des problématiques d'imagerie biologique. Les changements locaux importants d'intensité observés en imagerie de fluorescence sont estimés et compensé par une adaptation de notre schéma d'agrégation. Nous proposons également une méthode variationnelle avec filtrage local dédiée au cas de mouvements diffusifs de particules. / This thesis is concerned with dense motion estimation in image sequences, also known as optical flow. Usual approaches exploit either local parametrization or global regularization of the motion field. We explore several ways to combine these two strategies, to overcome their respective limitations. We first address the problem in a global variational framework, and consider local filtering of the data term. We design a spatially adaptive filtering optimized jointly with motion, to prevent over-smoothing induced by the spatially constant approach. In a second part, we propose a generic two-step aggregation framework for optical flow estimation. The most general form is a local computation of motion candidates, combined in the aggregation step through a global model. Large displacements and motion discontinuities are efficiently recovered with this scheme. We also develop a generic exemplar-based occlusion handling to deal with large displacements. Our method is validated with extensive experiments in computer vision benchmarks. We demonstrate the superiority of our method over state-of-the-art on sequences with large displacements. Finally, we adapt the previous methods to biological imaging issues. Estimation and compensation of large local intensity changes frequently occurring in fluorescence imaging are efficiently estimated and compensated with an adaptation of our aggregation framework. We also propose a variational method with local filtering dedicated to the case of diffusive motion of particles.

Le suivi de particules est une méthode de choix pour comprendre les mécanismes intra-cellulaires car il fournit des moyens robustes et précis de caractériser la dynamiques des objets mobiles à l'échelle micro et nano métrique. Cette thèse traite de plusieurs aspects liés au problème du suivi de plusieurs centaines de particules dans des conditions bruitées. Nous présentons des techniques nouvelles basée sur des méthodes mathématiques robustes qui nous permettent des suivre des particules sous-résolutives dans les conditions variées qui sont rencontrées en imagerie cellulaire. Détection de particules : nous avons tout d'abord traité le problème de la détection de particules dans les images fluorescentes contenant un fond structuré. L'idée clé de la méthode est l'utilisation d'une technique de séparation de sources : l'algorithme d'Analyse en Composantes Morphologiques (ACM), pour séparer le fond des particules en exploitant leur différence de morphologie dans les images. Nous avons effectué un certain nombre de modifications à l'ACM pour l'adapter aux caractéristiques des images biologiques en fluorescence. Par exemple, nous avons proposé l'utilisation du dictionnaire de Curvelet et d'un dictionnaire de d'ondelettes, avec des à priori de parcimonie différents, afin de séparer le signal des particules du fond. Une fois la séparation de sources effectuée, l'image sans fond peut être analysée pour identifier de manière robuste la position des particules et pour les suivre au cours du temps. Modélisation du problème de suivi : nous avons proposé un cadre de travail statistique global qui tient compte des nombreux aspects du problème de suivi de particules dans des conditions bruitées. Le cadre de travail probabiliste que nous avons mis au point contient de nombreux modèles qui sont dédiés à l'imagerie biologique, tels que des modèles statistiques de mouvement des particules en milieu cellulaire. Nous avons aussi défini la concept de perceiability d'une cible dans le cas des particules biologiques. Grâce à ce modèle l'existence d'une particule est explicitement modélisée et quantifiée, ce qui nous permet de résoudre les problèmes de création et de terminaison des trajectoires au sein même de notre cadre probabiliste de suivi. Le cadre de travail proposé bénéficie d'une grande flexibilité mais reste facile à adapter car chaque paramètre du modèle trouve une interprétation simple et intuitive. Ainsi, notre modèle probabiliste de suivi nous a permis de modéliser de manière exhaustive un grand nombre de systèmes biologiques différents. Mise au point d'un algorithme de suivi : nous avons reformulé l'algorithme de suivi nommé Multiple Hypothesis Tracking (MHT) pour qu'il inclue notre modèle probabiliste de suivi dédié aux particules biologiques, et nous avons proposé une implémentation rapide qui permet de suivre de nombreuses particules dans des conditions d'imagerie dégradées. L'\textit{Enhanced} MHT (E-MHT) que nous avons proposé tire pleinement partie du modèle de suivi en incorporant la connaissance des images futures, ce qui augmente significativement le pouvoir discriminant des critères statistiques. En conséquence, l'E-MHT est capable d'identifier automatiquement les détections erronée et de détecter les événements d'apparition et de disparition des particules. Nous avons résolu le problème de la complexité de la tache de suivi grâce à un design de l'algorithme que exploite la topologie en arbre des solution et à la possibilité d'effectuer les calculs de manière parallèle. Une série de tests comparatifs entre l'E-MHT et des méthodes existantes de suivi a été réalisée avec des séquences d'images synthétiques 2D et avec des jeux de données réels 2D et 3D. Dans chaque cas l'E-MHT a montré des performances supérieures par rapport aux méthodes standards, avec une capacité remarquable à supporter des conditions d'imagerie très dégradées. Nous avons appliqué les méthodes de suivi proposées dans le cadre de plusieurs projets biologiques, ce qui a conduit à des résultats biologiques originaux. La flexibilité et la robustesse de notre méthode nous a notamment permis de suivre des prions infectant des cellules, de caractériser le transport de protéines lors du développement de l'ovocyte de la drosophile, ainsi que d'étudier la trafic d'ARN messager dans l'ovocyte de drosophile.

Cette thèse a pour but d'étudier l'utilisation d'un analyseur de front d'onde basé sur l'interférométrie à décalage quadri-latéral pour l'imagerie microscopique en transmission. Cette technique d'interférométrie, développée initialement par la société Phasics (Palaiseau) pour les marchés de la métrologie optique et de la caractérisation de faisceaux laser essentiellement, peut aussi permettre d'obtenir la cartographie d'un champ électromagnétique complexe par mesure de front d'onde. En l'utilisant sur un microscope en condition d'imagerie, nous avons obtenu des images de l'intensité et de la différence de chemin optique introduite par un échantillon semi-transparent, définissant ainsi une nouvelle technique de contraste de phase quantitatif. Il s'agit d'un travail codirigé entre l'Institut Fresnel et l'entreprise Phasics (convention CIFRE), mené en collaboration avec le Centre d'Immunologie de Marseille Luminy. Dans cette thèse, nous discutons dans un premier temps de l'utilisation de l'analyseur en tant que détecteur placé dans le plan image d'un microscope optique classique, puis nous considérons deux modèles pour la formation des images de différence de chemin optique. Le premier modèle, dit projectif dans l'espace objet, suppose une mesure directe par l'analyseur de la différence de chemin optique locale introduite par l'échantillon. Nous montrons que cette hypothèse est valable pour deux applications particulières : la détermination de la quantité de matière sèche au sein d'un échantillon biologique, et la cartographie de la distribution de température induite par échauffement de particules d'or dans le plan objet du microscope. Le deuxième modèle prend en compte les effets de diffraction simple par l'échantillon et de filtrage par le système d'imagerie, en considérant l'angle sous lequel l'échantillon est illuminé. / The aim of this thesis is the use of a quadriwave lateral shearing interferometer for transmission microscopic imaging. First developped for optical metrology and laser beam caracterisation by the Phasics company (Palaiseau), this interferometric technique gives complexe electromagnetic field cartography by wavefront sensing. Using a microscope in imaging conditions, we obtained intensity and optical path difference images introduced by a semi-transparent sample. Thereby, we defined a new quantitative phase contrast technique.This work is co-directed by the Fresnel Institute and the Phasics company (CIFRE convention), in collaboration with the Centre Immunologique de Marseille Luminy. In this thesis, first we discuss the wavefront sensor use as a sensor plugged on the classical optical microscope image plane ; then we consider two models for optical path difference image formation. The first one, named object space projection, supposes a direct measurement of the optical path difference introduced by a sample. We show that this hypothesis is valid for two particular applications : dry matter determination within a biological sample, and temperature distribution induced by gold nano-particule heating. Thesecond model takes into account the simple sample diffraction and the optical device filtering depending on the illumination angle. This second approach allows us to build a model for intensity and optical path difference image formation for any planewave illumination. So we studied the image formation from a spatially partial incoherent illumination to a complete incoherent illumination. We made electromagnetic field measurements with the wavefront sensor in this last case. Then we discuss semi-transparent tomographic reconstruction by measurements in different imaging planes.One chapter is dedicated to quantitative phase imaging in biology, in particular with mitotic index determination within a cell population.

Lors du développement du système nerveux, les axones en croissance choisissent une<br />direction d'extension avec précision. Ce processus est permis par la détection sensible de<br />signaux de guidage par les récepteurs membranaires de la membrane du cône de croissance.<br />Nous avons étudié la dynamique de récepteurs individuels du GABA marqués par<br />des nanocristaux fluorescents. Les récepteurs répartis également dans la membrane d'un<br />cône de croissance soumis à un gradient de GABA sont spécifiquement redistribués vers sa<br />source. Cette réorganisation est due à des interactions avec les microtubules déplaçant les<br />récepteurs vers les régions à forte concentration de GABA, mises en évidence sur les trajectoires<br />des récepteurs. Son rôle fonctionnel a été révélé par la mesure d'une amplification<br />de l'asymétrie de la concentration intracellulaire de calcium, qui régule l'organisation du<br />cytosquelette. Ces observations permettent l'élaboration d'un modèle d'auto-organisation<br />des récepteurs, permettant une amplification du signal extérieur. Une faible activation<br />asymétrique des récepteurs induit une asymétrie de concentration de calcium et de l'organisation<br />du cytosquelette. Ceci crée une boucle de rétroaction positive en favorisant<br />la redistribution, qui renforce le signal induit par le gradient en amplifiant l'asymétrie<br />de la concentration de récepteurs et de calcium. L'auto-organisation des récepteurs est<br />décrite par un système d'équations stochastiques étudiées numériquement et analytiquement.<br />Les travaux présentés permettent de proposer un mécanisme général d'amplification<br />de signaux extérieurs dans l'axone en croissance et dans les systèmes chimiotactiques ou<br />polarisés.