La thématique principale de nos travaux est l'étude de l'intégration du mouvement au niveau de la population du cortex visuel primaire du singe éveillé : de l'identification des circuits corticaux impliqués dans le traitement du mouvement,jusqu'à l'identification et l'émergence d'un signal de mouvement. Nous avons ainsi principalement utilisé deux protocoles (mouvement réel ou apparent).La réponse neuronale de population à l'entrée du système (V1) a été comparée à une réponse comportementale en sortie, la réponse de suivi oculaire réflexe (OFR).L'activité de population dans le cortex visuel primaire est enregistrée par imagerie optique de composés sensible au potentiel.Nous avons alors montré que la réponse au contraste dans V1 est contrôlée par un bassin de normalisation dynamique qui évolue lentement via un recrutement progressif et polysynaptique des circuits récurrents locaux. Ce bassin reçoit des afférents horizontaux liés au contraste qui suppriment graduellement le gain au contraste et à la réponse neuronale.Ensuite, en comparant l'activité de population de V1 avec la réponse de suivi oculaire réflexe avec un stimulus dont l'échelle intermédiaire active à la fois l'entrée et la sortie du système, nous avons identifié deux mécanismes distincts, impliqués dans les interactions contextuelles étudiées : un mécanisme précoce et rapide agissant sur les entrées fortes provenant majoritairement de MT et un mécanisme lent et soutenu plus visible sur les entrées faibles provenant majoritairement de V1.Finalement, en étudiant l'intégration et la représentation du mouvement apparent à la surface de V1, nous avons observé que la dynamique de l'activité corticale générée par des stimuli de mouvement apparent induit une suppression non-linéaire à la surface du cortex qui permet à la population de V1 de ne représenter qu'un seul stimulus à la fois, et ferait donc émerger un signal de mouvement non-ambigu.Pour conclure, nos expériences montrent que les interactions non-linéaires entre et parmi les aires corticales entraînent la normalisation, la modulation et l'émergence de différents signaux de mouvement. / Our goal is to study motion integration at population level in V1 in the awake behaving onkey. We compare V1population recorded with optical imaging of voltage sensitive dyes with ocular following response.We have shown that contrast response function in V1 is controlled by a dynamic normalization pool. Then we identified two distinct mechanisms involved in contextual modulations: a fast transient one originating from MT and a show and sustained one, originating from V1. Finally, we have observed that cortical activity dynamics in presponse to apparent motion can induce a suppression wave at acortical surface.

Résumé Ce travail de thèse en cotutelle a été réalisé à l’Institut de Chimie Moléculaire de l’Université de Bourgogne (France) ainsi qu’au département de Chimie de l’Université de Sherbrooke (Québec). Ces travaux sont consacrés à la modification de la structure des BODIPY en vue d'une application in vivo pour l'imagerie bimodale optique/TEP ou TEMP. Ces modifications concernent l'hydrosolubilisation des fluorophores, mais aussi le décalage des domaines d’absorption et d’émission vers la fenêtre thérapeutique, zone dans laquelle la lumière est moins atténuée par les tissus biologiques. Des solutions permettant la bioconjugaison des fluorophores sur un dérivé de la bombésine, peptide permettant de cibler des récepteurs membranaires surexprimés dans certains types de cellules cancéreuses, sont également présentées. Enfin, une stratégie d’introduction d’un radioélément sur le BODIPY est décrite. Elle implique l’introduction sur l’atome de bore d’un groupe partant permettant sa radiofluoration. Différents dérivés de BODIPY ont également été utilisés pour la construction d’édifices multichromophoriques à transfert d’énergie. Ces travaux sont décrits dans la seconde partie de cette thèse. Ils comprennent notamment des études photophysiques permettant de mettre en évidence le transfert d’énergie photoinduit donneur-accepteur entre différents chromophores Dans les différents système élaborés, de type BODIPY-pophyrine et BODIPY-corolle, le BODIPY est alternativement donneur, ou accepteur d’énergie.

Parmi les approches d'imagerie préclinique, les techniques optiques sur petit animal fournissent une information fonctionnelle sur un phénomène biologique ainsi que sur sa localisation. De récents développements permettent d'exploiter ces méthodes dans le cadre de l'imagerie sur animal vigile. Les conditions physiologiques se rapprochent alors de celles du fonctionnement normal de l'organisme. Les travaux de cette thèse ont porté sur l'utilisation optimale de cette modalité via des méthodes originales d'analyse et de traitement.Les problèmes soulevés par la fusion des flux cinématiques et de données de bioluminescence nous ont amené à proposer des approches complémentaires d'estimationde mouvement de l'animal. La représentation sous forme implicite des informations issuesde la vidéo de l'animal permettent de construire un critère robuste à minimiser. L'ajout d'uncritère global mesurant la compacité du signal optique permet de considérer dans sa totalité les données multicanaux acquises pour augmenter la précision du recalage. Finalement ces deux modélisations offrent des résultats pertinents et validés expérimentalement.Dans le but de s'affranchir des contraintes de l'observation planaire de nos données nous avons conçu une méthode d'estimation du mouvement 3D de l'animal à partir d'un modèle pré-calculé. Grâce à un système d'acquisition multi-vues et simultanée de la scène, il est possible d'ajouter une contrainte sur l'estimation de la position de la source pour rendre robuste le suivi des poses issues de la vidéo. Les résultats expérimentaux montrent le potentiel de cette méthode pour fournir des mesures 3D précises sur l'animal vigile.

Résumé Ce travail de thèse en cotutelle a été réalisé à l’Institut de Chimie Moléculaire de l’Université de Bourgogne (France) ainsi qu’au département de Chimie de l’Université de Sherbrooke (Québec). Ces travaux sont consacrés à la modification de la structure des BODIPY en vue d'une application in vivo pour l'imagerie bimodale optique/TEP ou TEMP. Ces modifications concernent l'hydrosolubilisation des fluorophores, mais aussi le décalage des domaines d’absorption et d’émission vers la fenêtre thérapeutique, zone dans laquelle la lumière est moins atténuée par les tissus biologiques. Des solutions permettant la bioconjugaison des fluorophores sur un dérivé de la bombésine, peptide permettant de cibler des récepteurs membranaires surexprimés dans certains types de cellules cancéreuses, sont également présentées. Enfin, une stratégie d’introduction d’un radioélément sur le BODIPY est décrite. Elle implique l’introduction sur l’atome de bore d’un groupe partant permettant sa radiofluoration. Différents dérivés de BODIPY ont également été utilisés pour la construction d’édifices multichromophoriques à transfert d’énergie. Ces travaux sont décrits dans la seconde partie de cette thèse. Ils comprennent notamment des études photophysiques permettant de mettre en évidence le transfert d’énergie photoinduit donneur-accepteur entre différents chromophores Dans les différents système élaborés, de type BODIPY-pophyrine et BODIPY-corolle, le BODIPY est alternativement donneur, ou accepteur d’énergie.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

L'enjeu de la présente thèse est de proposer de nouvelles méthodes d'analyse des données d'imagerie cérébrale acquises en Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf). Elle s'est concentrée en particulier sur la compréhension des signaux temporels mesurés en IRMf et leur lien avec l'activité cérébrale. En effet, les variations du signal que l'on observe en IRMf sont dues à des changements de l'afflux du sang dans le cerveau et de l'oxygénation de ce sang. Ces changements sont liés à l'activité des neurones, et l'on nomme ce phénomène la réponse hémodynamique. Cette réponse hémodynamique fait l'objet d'un important effort de modélisation, de manière à mieux pouvoir interpréter les données d'IRMf. Et cette thèse contient des travaux liés à la fois à la modélisation pour elle-même, avec l'étude de certains détails des modèles hémodynamiques, et à la fois à l'utilisation de ces modèles pour l'analyse des données, avec en particulier l'analyse des données IRMf et la fusion entre des données d'IRMf et d'Electroencéphalographie (EEG). Ainsi, la première partie de la thèse est consacrée à l'utilisation de modèles hémodynamiques en IRMf. En effet, aujourd'hui, les méthodes standard d'analyse de données d'IRM fonctionnelle utilisent le Modèle Général Linéaire (GLM), qui suppose une relation linéaire entre l'activité des neurones, la réponse hémodynamique et les mesures IRMf. Nous montrons qu'il est aussi possible d'utiliser des modèles plus plausible du point de vue biologique, et éventuellement non-linéaires pour analyser les données. A la place de la régression linéaire utilisée habituellement, nous proposons une identification de modèle basées sur une minimisation d'énergie, et nous proposons d'adapter les tests de Fisher utilisés habituellement dans le cadre du GLM pour pouvoir réaliser dans le nouveau cadre la détection d'activations, le test d'hypothèses cognitives, ainsi que des comparaisons entre différents modèles. La seconde partie quant à elle est expérimentale: nous avons étudié les équations de différents modèles hémodynamiques grâce à des expérience d'Imagerie Optique chez le singe éveillé, dans le cadre d'une collaboration avec Ivo Vanzetta dans l'équipe "Dynamique de la perception visuelle et de l'action'' au CNRS Marseille. Nous nous sommes intéressés en particulier à la dynamique du flux sanguin, qui est de première importance car elle fait le lien entre les activités électriques et métaboliques et les changements du volume et de l'oxygénation du sang. Nous avons mis en évidence des aspects de la réponse hémodynamique qui ne sont pas prévus par les modèles actuels, tels qu'une non-linéarité de cette réponse du flux par rapport à l'intensité de la réponse électrique. Par ailleurs, dans le cadre de la même collaboration, nous avons conçu une méthode pour estimer la vitesse des globules rouges dans les vaisseaux sanguins filmés en Imagerie Optique, qui constitue une nouvelle technique de mesure de ce flux sanguin. Enfin, dans la troisième partie, nous avons étendu les méthodes présentées dans la première partie à l'analyse de données de modalités multiple, et en particulier, proposons une méthode pour estimer l'activité cérébrale à partir d'enregistrement simultanés en IRMf et en EEG. Cette méthode est validée sur des données synthétiques. Le présent synopsis résume les points importants de ces travaux: les objectifs, les méthodes, les conclusions et conséquences pour chaque chapitre. Nous avons également tenté d'en présenter une critique objective, en mentionnant à la fois ce qui constitue des contributions originales et les faiblesses restantes. Nous espérons que ce résumé permettra au lecteur de se repérer rapidement dans cette thèse, et de bien comprendre les relations entre ses différentes composantes.

L'objectif de cette thèse a été de développer et d'utiliser une nouvelle classe de sondes optiques ayant des propriétés de luminescence persistante. La luminescence persistante, plus connue du grand public sous le terme phosphorescence, est la propriété que possèdent certains matériaux de continuer à émettre de la lumière après la fin de l'excitation. <br /><br />Le développement rapide de nombreuses techniques d'imagerie durant les dernières décennies (IRM, écho-doppler, scanner, PET...) répond à un besoin croissant d'images des biologistes et des médecins . De la simplification des travaux expérimentaux à une détection précoce de maladies, une dynamique s'est créée autour des recherches en imagerie. Chaque technique possède avantages et inconvénients, rendant ainsi complémentaires l'ensemble des imageries. <br /><br />L'imagerie optique est un domaine en pleine expansion avec des retombées directes en pharmacologie, dans le développement d'outils d'aide au diagnostique et de recherches en biologie moléculaire et cellulaire. Malgré une utilisation toujours croissante de la fluorescence dans des études in vivo, cette technique souffre toutefois de limitations dues notamment à l'autofluorescence des tissus et à la faible pénétration de la lumière excitatrice. Ces contraintes limitent la capacité à imager des tissus profonds <br /><br />Pour pallier à ces contraintes, un procédé basé sur l'utilisation de nanomatériaux à luminescence persistante (phénomène communément appelé phosphorescence) a été développé. Ces particules présentent l'avantage de pouvoir être excitées préalablement à l'injection dans le milieu biologique et de pouvoir émettre de la lumière durant plusieurs heures. Ceci permet d'éviter l'excitation des sondes à l'intérieur de l'animal, supprimant ainsi les problèmes d'autofluorescence des tissus.<br /><br />En utilisant ces sondes en imagerie du petit animal, nous avons montré qu'il est possible de suivre la biodistribution des nanoparticules en temps réel pendant plus d'une heure sans recourir à une quelconque excitation externe. Des modifications chimiques de surface nous ont permis d'étudier les différences de biodistribution des nanoparticules selon leurs charges de surface (positives, négatives ou neutres). Des expériences portant sur la localisation de tumeurs chez la souris ont également été réalisées avec succès.

Les nanocristaux à luminescence persistante ont récemment été introduits dans le domaine de l'imagerie optique du petit animal comme alternative originale aux systèmes photoluminescents couramment utilisés pour la détection photonique in vivo. Comparables à des condensateurs optiques, ces matériaux présentent l'avantage de pouvoir être excités avant l'injection au petit animal, puis d'émettre un signal de luminescence dans la fenêtre de transparence des tissus, sans excitation continue de la sonde, pendant plusieurs dizaines de minutes. Cette technique propose une solution efficace au problème d'autofluorescence rencontré in vivo du fait de l'excitation des tissus biologiques, et permet d'augmenter de manière significative le rapport signal à bruit au moment de la détection optique. Les travaux initiaux ont cependant démontré que cette première génération de nanocristaux pouvait difficilement être suivie plus d'une heure après injection systémique chez le petit animal, et subissait une capture rapide au niveau du foie par le système monocyte macrophage. Pour répondre à ces deux inconvénients majeurs, nous introduisons une nouvelle génération de nanosondes photoniques dont les propriétés optiques permettent une excitation de la luminescence persistante in vivo, à travers les tissus de l'animal. Il devient ainsi possible de recharger le matériau après son injection à la souris et de retrouver un signal de luminescence persistante à tout moment. Une optimisation des propriétés de surface a également permis d'augmenter de manière significative le temps de circulation de ces nanoparticules, et de réaliser la première preuve de ciblage passif in vivo qui exploite l'effet EPR.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal