Microbes form complex communities on Earth. They are crucial for global nutrient recycling in soil and oceans. Inside our body, our intestinal microbiome contributes to our metabolism and protects us against diseases. The dynamics of these microbial communities and their response to environmental changes depend on intra- and inter-species interactions. Computational models are useful to simulate the behavior of such systems and to predict their response to prebiotics or to antibiotics for example. However, due to the multiple, nutrient-dependent interactions, modeling the behavior of such communities remains a real challenge. Mathematical modeling allows for an understanding of the general principles underlying the nonlinear dynamics of microbial communities. Population-based models are based on the abundances of each species but typically do not incorporate the interaction mechanism. Interactions can be mediated by the metabolism of microbes. Therefore, explicit modeling of nutrients is required for a mechanistic understanding of the dynamical behavior of interacting communities. In this thesis we developed and analyzed models accounting for the nutrient-mediated microbial interactions, focusing on competition and mutualistic cross-feeding. In the first part of the thesis, we constructed a nutrient-explicit model that reproduced experimental time series of a small synthetic microbial community, consisting of three species that interact via cross-feeding and competition. The comparison of mono-culture and co-culture dynamics reveals emergent behaviors in co-cultures and highlights the influence of key factors on the population dynamics. In the second part of the thesis, we showed how nutrient-explicit models for mutualistic cross-feeding are related to population-based models, such as the Lotka-Volterra equations. This allows to predict the occurrence of bistability and the presence of a survival threshold. Finally, we extended these results by considering the spatial dimension, and studied how diffusion and advection influence the survival of the community. Our results demonstrate that nutrient-explicit models are able to reproduce experimental time series of microbial communities and to predict the factors determining survival or extinction. By providing a mechanistic understanding of the nonlinear behavior related to microbial interactions, we take a step forward towards the development of predictive models of microbial communities. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Reservoir computing est un ensemble de techniques permettant de simplifierl’utilisation des réseaux de neurones artificiels. Les réalisations expérimentales,notamment optiques, de ce concept ont montré des performances proches de l’étatde l’art ces dernières années. La vitesse élevée des expériences optiques ne permetpas d’y intervenir en temps réel avec un ordinateur standard. Dans ce travail, nousutilisons une carte de logique programmable (Field-Programmable Gate Array, ouFPGA) très rapide afin d’interagir avec l’expérience en temps réel, ce qui permetde développer de nouvelles fonctionnalités.Quatre expériences ont été réalisées dans ce cadre. La première visait à implé-menter un algorithme de online training, permettant d’optimiser les paramètresdu réseau de neurones en temps réel. Nous avons montré qu’un tel système étaitcapable d’accomplir des tâches réalistes dont les consignes variaient au cours dutemps.Le but de la deuxième expérience était de créer un reservoir computer optiquepermettant l’optimisation de ses poids d’entrée suivant l’algorithme de backpropaga-tion through time. L’expérience a montré que cette idée était tout à fait réalisable,malgré les quelques difficultés techniques rencontrées. Nous avons testé le systèmeobtenu sur des tâches complexes (au-delà des capacités de reservoir computers clas-siques) et avons obtenu des résultats proches de l’état de l’art.Dans la troisième expérience nous avons rebouclé notre reservoir computer op-tique sur lui-même afin de pouvoir générer des séries temporelles de façon autonome.Le système a été testé avec succès sur des séries périodiques et des attracteurs chao-tiques. L’expérience nous a également permis de mettre en évidence les effets debruit expérimental dans les systèmes rebouclés.La quatrième expérience, bien que numérique, visait le développement d’unecouche de sortie analogique. Nous avons pu vérifier que la méthode de onlinetraining, développée précédemment, était robuste contre tous les problèmes expéri-mentaux étudiés. Par conséquent, nous avons toutes les informations pour réalisercette idée expérimentalement.Finalement, durant les derniers mois de ma thèse, j’ai effectué un stage dont lebut était d’appliquer mes connaissance en programmation de FPGA et réseaux deneurones artificiels à un problème concret en imagerie cardiovasculaire. Nous avonsdéveloppé un programme capable d’analyser les images en temps réel, convenablepour des applications cliniques. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Au cours de cette thèse expérimentale et numérique nous avons étudié le comportement d’un empilement de grains dans deux situations différentes. Dans une première partie, une piste en sable est soumise au passage répété de véhicules, sous certaines conditions un motif régulier de rides apparaît spontanément : c’est l’instabilité de tôle ondulée. Ce phénomène, très répandu sur les routes en terre ou en gravier, est bien sûr très gênant pour les automobilistes mais est aussi très dangereux à cause des pertes d’adhérence qu’il provoque. Nous avons alors reproduit ce phénomène à l’échelle du laboratoire et également dans des simulations numériques de dynamique moléculaire de sphères molles. Grâce à ces outils expérimentaux et numériques nous avons pu mettre en évidence certaines propriétés de l’instabilité. Nous avons notamment mesuré la relation de dispersion des rides et mis en évidence que ce phénomène suit une instabilité de type fourche super-critique. En mesurant les contraintes agissant sur le véhicule nous avons alors pu construire une analyse de stabilité linéaire prédisant quantitativement le seuil de l’instabilité ainsi que la longueur d’onde du motif. Enfin, nous avons étudié des cas plus complexes où différents véhicules circulaient simultanément sur la piste. Nous avons également considéré des cas où la piste était humide et donc cohésive. Dans une seconde partie, nous avons étudié le comportement d’un silo rempli de grains soumis à des variations de température. On observe alors un lent fluage de la colonne que nous avons caractérisé. Deux régimes de fluage sont observés selon l’amplitude des cycles de température et nous avons obtenu une expression de la température critique séparant les deux régimes en fonction des paramètres microscopiques des grains (élasticité et rugosité de surface). Nous avons également étudié le mouvement individuel de chaque grain afin d’interpréter la dynamique macroscopique de l’empilement. / In this experimental and numerical thesis we have studied the behavior of a granular assembly in two different situations. In the first part, a sand track is subjected to repeated passages of vehicles, under certain conditions a regular pattern of ripples appears spontaneously: this is known as the washboard road instability. This phenomenon, very common on dirt roads, is of course annoying for drivers but is also very dangerous because of the lack of adhesion it causes. We reproduced this instability with a laboratory scale set-up and also thanks to soft spheres molecular dynamics simulations. With these experimental and numerical tools we have highlighted some properties of instability. In particular, we have measured the dispersion relation of the pattern and shown that this phenomenon follows pitchfork instability. By measuring the stress acting on the vehicle we were then able to build a linear stability analysis that predicts quantitatively the threshold of the instability and the wavelength of the pattern. Finally, we have studied more complex cases where several vehicles were simultaneously on the track. We have also considered the case where the track was wet and therefore cohesive. In a second part, we have studied the behavior of a silo filled with grains subjected to temperature variations. A slow creep motion of the grains in the column is observed. Two flow regimes are observed according to the amplitude of temperature cycles. We obtained an expression of the critical temperature between the two regimes as a function of the microscopic parameters of the grains (elasticity and surface roughness). We have also studied the motion of each individual grain in order to interpret the macroscopic dynamics of the pile.

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