Les cellules souches multipotentes dérivées du stroma de la moelle osseuse (MSCs) sont des candidates idéales pour des applications en ingénierie tissulaire. Actuellement un grand nombre d’essais cliniques utilisent ces MSCs dans le but de développer des thérapies innovantes. Dans les travaux de cette thèse, nous avons développé deux stratégies de préconditionnement cellulaire dans le but d’optimiser la fonctionnalité des MSCs pour des applications d’ingénierie tissulaire osseuse. La mort massive des MSCs en post-implantation réduit considérablement les bénéfices potentiels de ce type de thérapie. Bien que cette mort massive soit multifactorielle, l’environnement ischémique hostile auquel les cellules doivent faire face une fois implantées semble en être la cause principale. La première stratégie visait à augmenter la survie des hMSCs en conditions ischémiques. Nous avons pu montrer qu’un préconditionnement par quiescence induit une modification du profil métabolique des hMSCs améliorant ainsi leur survie jusqu’à 14 jours dans un modèle d’ischémie in vitro et 7 jours in vivo. Cette modification est caractérisée par (i) une orientation du métabolisme OXPHOS vers un métabolisme glycolytique, et (ii) une activation des voies pro-survie via l’inhibition de mTORC1 et l’activation de l’autophagie. La seconde stratégie visait à induire aux hMSCs un phénotype pro-ostéogène susceptible de favoriser la formation osseuse. Pour cela, les hMSCs ont été prédifférenciées vers la voie adipogénique (AD) ; une voie de différenciation des hMSCs connue pour sa proximité avec la voie ostéogénique. Il s’avère que les hMSCs prédifférenciées (AD+) sont engagées non seulement dans la voie de l’adipogénèse mais aussi dans celle de l’ostéogénèse. Ces hMSCs-AD+ démontrent des potentiels ostéogènes direct et paracrin améliorés, et elles sont capables de former 5-fois plus de tissu osseux in vivo. / Bone marrow stromal derived multipotent stem cells (MSCs) are most suited cells for tissue engineering applications. Nowadays, numerous clinical trials use these MSCs in order to develop new innovative therapies. In the present work, we developed two preconditioning strategies with the aim of improving MSCs functionality for bone tissue engineering. Massive cell death upon implantation drastically reduces the potentials benefits of such MSCs- based therapies. The ischemic hostile environment that cells faces upon implantation is, not the sole, but surely the prime factor responsible for this cell-death. The first strategy aimed at improving hMSCs survival in ischemic conditions. We were able to demonstrate that a quiescence preconditioning induces a modification in the hMSCs metabolic profile thus improving their survival for as long as 14 days in an in vitro ischemic model and 7 days in vivo. This modification is characterized by (i) a shift from an OXPHOS- dependent metabolism towards a glycolytic metabolism, and (ii) activation of pro-survival pathways via mTORC1 inhibition and autophagy activation. The second strategy was to induce a pro-osteogenic phenotype likely favorable for bone formation. To this aim, hMSCs were predifferentiated toward the adipogenic lineage (AD); an hMSCs lineage known to be closely related to the osteogenic one. It appears that predifferentiated hMSCs (AD+) are not only committed towards the adipogenic lineage but also towards the osteogenic one. These hMSCs-AD+ exhibit enhanced direct and paracrine pro-osteogenic potentials, as a result, they are capable of inducing bone tissue formation 5-times more in vivo. These two strategies might enhance the therapeutic outcomes of MSCs-based products for bone tissue engineering applications.

L'optimisation de la performance sportive et sa fascinante complexité suscitent l'intérêt et la passion des scientifiques qui tentent depuis des décennies de percer les mystères de la machine humaine. Cette curiosité entourant les multiples facteurs pouvant permettre l'atteinte de niveaux d'excellence a donné lieu à l'émergence de recherches s'intéressant à des thématiques diversifiées comme l'optimisation des méthodes d'entraînement et de récupération ainsi que l'impact potentiel des aides ergogéniques. Dans les dernières années, une nouvelle stratégie vint s'ajouter à cette liste et sollicita l'attention de la communauté sportive, le préconditionnement ischémique (ischemic preconditioning, en anglais, IPC). Cette technique consiste à induire des épisodes d'ischémie et de reperfusion via la compression de brassards positionnés sur les membres inférieurs et/ou supérieurs. Cette méthode, initialement testée pour ses effets protecteurs sur le myocarde, rendrait différents tissus du corps, incluant le muscle squelettique, plus résistants aux effets d'une réduction indésirable d'oxygénation telle que retrouvée durant l'exercice maximal ou dans des environnements hypoxiques. En fait, l'IPC agit par l'entremise d'une diversité de mécanismes et de réponses physiologiques vasculaires, métaboliques et neurales. Ceci suggère que l'IPC pourrait non seulement être considéré comme une aide ergogénique, mais pourrait également s'intégrer à différents contextes, encore peu examinés, permettant une optimisation globale de la performance sportive. Ainsi, le présent travail de thèse s'inscrit dans une logique d'optimisation générale de la performance aérobie en évaluant l'intérêt d'utiliser l'IPC à différents moments clés du calendrier annuel des sports d'endurance. Le projet #1 de cette thèse a évalué l'efficacité ergogénique de l'IPC en situation de compétition en altitude. Un devis randomisé contrôlé a permis de démontrer que l'IPC améliore la performance chronométrique et la puissance mécanique développée lors de contre-la-montre (CLM) de 5 km effectués à des altitudes simulées faible (~1200 m) et modérée (~2400 m), comparativement à une manœuvre placébo. L'effet était plus marqué en altitude modérée avec une amélioration concomitante de la perception de l'effort, de la saturation pulsée en O₂ (S[indice p]O₂) et de la désaturation musculaire, suggérant une optimisation de la réponse oxydative avec l'amplification de l'hypoxémie artérielle après l'IPC. Au cours du projet #2, nous nous sommes intéressés à la récupération des capacités physiologiques et de la performance aérobie maximale aérobie chez l'athlète. À l'aide d'un devis randomisé contrôlé, nous avons démontré que l'IPC s'avère tout aussi efficace que l'électrostimulation neuromusculaire ou la récupération active pour maintenir la performance aérobie maximale lors de deux CLM de 5 km répétés à moins d'une heure d'intervalle. Les trois modalités de récupération ont par ailleurs induit des effets similaires sur la perfusion musculaire, l'élimination des déchets métaboliques et les réponses physiologiques pendant l'effort. Suite à ces deux premiers projets sur l'impact aigu de l'IPC, il devenait nécessaire d'examiner davantage les effets chroniques sur la performance en endurance. Le projet #3 a utilisé un devis avant-après avec groupe témoin pour démontrer que l'ajout de l'IPC avant des entraînements de sprints par intervalles (SIT), effectués pendant 4 semaines, optimise les adaptations à l'entraînement. En effet, seul le groupe combinant l'IPC et le SIT avait une amélioration de l'indice de fatigue au test de Wingate, de la performance au CLM de 5 km, du volume sanguin musculaire et de l'extraction d'O₂ musculaire. L'évaluation des marqueurs sanguins n'a pas mis en évidence d'effet de l'IPC sur l'angiogenèse, la réponse hypoxique ou la fonction immunitaire chez ces athlètes entraînés. En somme, ces projets de recherche ont mis en évidence le potentiel aigu et chronique de l'IPC pour améliorer la performance aérobie. Cette technique non invasive semble particulièrement efficace avant un effort en altitude modérée et lors d'une application chronique combinée à l'entraînement de haute intensité. L'IPC représenterait également une option supplémentaire pour les athlètes d'endurance en période de récupération. Les données physiologiques des trois études indiquent que l'amélioration de la performance aérobie est corrélée à des changements de la perfusion sanguine et d'extraction musculaire d'O₂, suggérant que l'IPC agit essentiellement sur les réponses et les adaptations périphériques. / The fascinating complexity of athletic performance has aroused the interest and passion of the scientific community which has tried to unravel the mysteries surrounding human performance for decades. This curiosity and the multiple factors associated with this quest resulted in a diversity of research themes including the optimization of training and recovery methods, as well the identification and potential impact of ergogenic aids. Recently, a new strategy has gained the attention of the sports community, ischemic preconditioning (IPC). This technique alternates episodes of muscle ischemia and reperfusion by the compression of cuffs around the lower and/or upper limbs. Originally studied for its clinical relevance in myocardial infarction, this technique may render different tissues within the body, including the skeletal muscle, more resistant to subsequent ischemic-hypoxic insults such as those found during maximal effort or hypoxic environment exposure. Indeed, IPC operates via various mechanisms and vascular, metabolic and neural physiological responses. The complexity of this phenomenon underlies the potential of IPC integration in a diversity of contexts, still poorly investigated, to improve sports performance. Thus, this thesis is focused on the global optimization of aerobic performance through the utilization of IPC during key moments of endurance athletes' training and competition schedule. Project #1 evaluated the ergogenic potential of IPC for competition at altitude. A randomized crossover study demonstrated that IPC enhances time to complete 5-km cycling time trials (TT) and power output at simulated low (~1200 m) and moderate (~2400 m) altitudes compared to a SHAM procedure. IPC has a more convincing impact at 2400 m than at 1200 m, and was associated with a lower perception of effort and an increase in pulse O₂ saturation (S[subscript p]O₂) and peripheral O₂ extraction at this altitude suggesting an optimization of the oxidative response with the increase of arterial hypoxemia. During project #2, we focused on the post-exercise recovery of physiological abilities and maximal aerobic performance in athletes. A randomized controlled design demonstrated that IPC is as effective as neuromuscular electrical stimulation or active recovery to maintain performance during two 5-km TT interspaced by less than 1 hour of recovery. The three recovery modalities induced similar effects on muscle perfusion, metabolic by-products clearance, and physiological responses during exercise. After the previous studies investigating the acute responses to IPC, there was a scope to examine the potential chronic effects of this technique. Project #3 used a randomized controlled trial to investigate if the addition of IPC before sprint-interval training (SIT), performed for 4 weeks, induced greater training adaptations. Indeed, IPC combined to SIT was the only condition shown to increase fatigue resistance during a Wingate test, completion time during a 5-km TT, muscle blood volume and O₂ extraction. Blood markers analyse did not reveal any effect of IPC on angiogenesis, hypoxic signaling and immune function in endurance athletes. In summary, these projects highlight some of the acute and chronic effects of IPC on aerobic performance. This non-invasive technique was particularly relevant for maximal exercise at moderate altitude and after its combination with chronic high-intensity interval training. IPC also represents an alternative for endurance athletes to promote recovery. The physiological data from these studies indicate an association between performance enhancement and perfusion and muscle O₂ extraction changes, suggesting that IPC essentially influenced peripheral responses and adaptations.

L'équation intégrale du champ électrique (EFIE) et l'équation intégrale du champ combiné (CFIE) souffrent d'un mauvais conditionnement à haute discrétisation et à bassefréquence : si la taille moyenne des arrêtes du maillage est réduite ou si la fréquence est diminuée le conditionnement du système se dégrade rapidement. Cela provoque le ralentissement ou la non convergence des solveurs itératifs. Cette dissertation présente de nouveaux paradigmes permettant l'obtention de solveurs à convergence rapide pour équations intégrales; pour prévenir la dégradation du conditionnement nous avançons l'état de l'art des techniques de préconditionnement dites de Calderon et de celles reposant sur l'utilisation des bases hiérarchiques. Pour traiter l'EFIE, nous introduisons une base hiérarchique pour maillages structurés et non-structurés dérivant des pré-ondelettes primaires et duales de Haar. De plus, nous introduisons un nouveau cadre permettant de préconditionner efficacement l'EFIE dans le cas d'objets à connexion multiples. L'applicabilité à la CFIE des préconditionneurs à bases hiérarchiques fait l'objet d'une étude aboutissant à la formalisation d'une technique de préconditionnement. Nous présentons aussi un préconditionneur multiplicatif de type Calderon (RF-CMP) qui permet l'obtention d'une matrice système Hermitienne, définie positive (HDP) et bien conditionnée, sans avoir recours, contrairement aux préconditionneurs existants, au raffinement du maillage ni à l'utilisation de fonction duales. Puisque la matrice est HPD, la méthode du gradient conjugué peut servir de solveur itératif avec une convergence garantie. / The electric field integral equation (EFIE) and the combined field integral equation(CFIE) suffer from the dense-discretization and the low-frequency breakdown: if the average edgelength of the mesh is reduced, or if the frequency is decreased, then the condition number of the system matrix grows. This leads to slowly or non-converging iterative solvers. This dissertation presents new paradigms for rapidly converging integral equation solvers: to overcome the illconditioning, we advance and extend the state of the art both in hierarchical basis and in Calderón preconditioning techniques. For the EFIE, we introduce a hierarchical basis for structured and unstructured meshes based on generalized primal and dual Haar prewavelets. Furthermore, a framework is introduced which renders the hierarchical basis able to efficiently precondition the EFIE in the case that the scatterer is multiply connected. The applicability of hierarchical basis preconditioners to the CFIE is analyzed and an efficient preconditioning scheme is derived. In addition, we present a refinement-free Calderón multiplicative preconditioner (RF-CMP) that yields a system matrix which is Hermitian, positive definite (HPD), and well-conditioned. Different from existing Calderón preconditioners, no dual basis functions and thus no refinement of the mesh is required. Since the matrix is HPD—in contrast to standard discretizations of the EFIE—we can apply the conjugate gradient (CG) method as iterative solver, which guarantees convergence. Eventually, the RF-CMP is extended to the CFIE.

L'hypoxie intermittente (HI) est une composante majeure du syndrome d'apnées obstructives du sommeil (SAOS). Cette pathologie affectant 5% de la population générale, correspond à des épisodes répétitifs de collapsus du pharynx pendant le sommeil, à l'origine d'une hypoxie. Le SAOS est associé à une augmentation du risque cardiovasculaire. <br />Le but de ce travail est de caractériser d'une part, les effets sur la fonction cardiaque d'une exposition aiguë chez le rat, et d'autre part, les conséquences inflammatoires, marqueurs précoces de l'athérogenèse, d'une exposition chronique chez la souris. <br />24 h après une exposition aiguë à l'HI (4 h à 10% d'O2) une récupération fonctionnelle post-ischémique et une réduction de la nécrose cellulaire sont observées suite à une séquence d'ischémie-reperfusion dans un modèle de cœur isolé. Ces évènements reflètent un phénomène de protection myocardique retardée, encore appelé préconditionnement (PC) myocardique. Ce PC induit par l'HI, semble impliquer divers acteurs, la p38 MAP kinase et Erk1/2 comme initiateurs, la PKC, la iNOS et les canaux KATP mitochondriaux comme médiateurs. La compréhension du rôle de chacun de ces acteurs permettrait d'utiliser ces cibles potentielles afin de prévenir les maladies cardiovasculaires. <br />L'exposition chronique à l'HI (5, 14 et 35 jours à 5% d'O2), induit une augmentation de la prolifération cellulaire, des taux de chimiokines inflammatoires ainsi que du phénomène de «rolling» leucocytaire. L'analyse approfondie de ce phénotype inflammatoire chez l'animal, permettrait de comprendre dans une perspective thérapeutique, l'athérogenèse développée par les patients porteurs de SAOS.

L'inversion de forme d'onde complète (FWI) est un processus non-linéaire et mal posé d’ajustement de données, dans notre cas, issues d’acquisitions simiques. Cette technique cherche à reconstruire, à partir d’un modèle initial obtenu à faible nombre d’onde (faible résolution), des paramètres constitutifs contrôlant la propagation des ondes à grands nombres d’ondes (forte résolution). Durant ce processus itératif, certains artéfacts peuvent altérer la qualité du modèle reconstruit. Afin de diminuer ces artéfacts et d’assurer une reconstruction des paramètres qui soit cohérente d’un point de vue géologique, différentes techniques de pré-conditionnement ou de régularisation peuvent être proposées.Cette thèse se focalise sur le potentiel de nouveaux filtres multi-dimensionnels construits dans l’espace des nombres d’ondes et orientés suivant les structures géologiques. Une stratégie de pré-conditionnement a été mise au point à l’aide de ces filtres et a été appliquée avec succès à la problématique FWI. La formulation analytique 1D de l’opérateur inverse de covariance laplacienne (Tarantola, 2005) constitue la base de la formulation d’opérateurs de dimension supérieure qui sont validés ici en les comparants avec l’opérateur analytique de covariance laplacienne 1D. Nous avons utilisé cette fonction analytique inverse 1D comme la base de filtrage de dimension supérieure, via l’addition de multiples fonctions inverses orientées orthogonalement. Ces fonctions laplaciennes inverses additionnelles (AIL) sont obtenues pour des configurations 2D et 3D après discrétisation par des techniques de différences finies. Nous montrons que l’on peut calculer un filtre en nombre d’onde de manière rapide et robuste en résolvant le système linéaire associé à ces opérateurs inverses. Lorsque des pentes sont inclues à l’étape de discrétisation par différences finies, il est alors possible d’utiliser ces opérateurs comme des filtres en nombre d’ondes orientés vers les structures géologiques, ceci avec une grande efficacité.Ce filtre (AIL) montre des propriétés rapides de convergence et des performances indépendantes du vecteur à filtrer. Nous montrons notamment comment ce filtre peut être utilisé comme un opérateur utile pour le gradient associé à la FWI. Le pré-conditionnement du gradient peut atténuer les effets du problème mal-posé qui vont s’étendre dans l’espace des modèles. Deux exemples synthétiques (Valhall et Marmousi) calculés dans l’espace des fréquences sont proposés dans cette thèse. Le pré-conditionnement AIL s’avère efficace pour atténuer d’une part la signature mal-posée provenant de la présence de bruit ambient dans les données observées et d’autre part d’artéfacts liés aux effets de repliement spatial liés aux conditions d’imagerie par FWI. La possibilité d’inclure des pentes permet de filtrer de manière préférentielle en considérant des pendages géologiques. Cette stratégie de filtrage permet l’atténuation d’artéfacts, tout en préservant le contenu en nombre d’ondes de la stratigraphie orthogonale au pendage.Un cas réel d’inversion 2D FWI est finalement abordé permettant tout d’abord d’illustrer la sensibilité des résultats d’inversion au modèle initial. Celui-ci est d’importance majeure, particulièrement dans les régions profondes dépassant la pénétration maximale des ondes transmises. L’application de la technique FWI à cette acquisition sismique a permis d’améliorer de manière significative la cohérence sur une image migrée par renversement du temps (RTM). Nous montrons également que le pré-conditionneur AIL permet une décroissance significative du nombre de tirs requis à modéliser dans la boucle d’inversion, sans pour autant dégrader le contenu en nombre d’onde des structures géologiques principales dans les résultats finaux obtenus après inversion. / Full waveform inversion (FWI) is a non-linear, ill-posed, local data fitting technique. FWI looks to moves from an initial, low-wavenumber representation of the earth parameters to a broadband representation. During this iterative process a number of undesirable artifacts can map into our model parameter reconstruction. To mitigate these artifacts and to ensure a geologically consistent model parameter reconstruction, various preconditioning and/or regularization strategies have been proposed.This thesis details the construction of new, efficient, multi-dimensional, structurally-orientated wavenumber filters. A preconditioning strategy has been devised using these filters that we have successfully applied to FWI. The 1D analytical inverse Laplacian covariance operator (Tarantola, 2005) forms the basis of higher dimensional operators and is initially validated by comparing to the 1D analytical Laplacian covariance operator. We use this analytical 1D inverse function as the basis for higher dimensional filtering via the addition of multiple, orthogonally orientated inverse functions. These additive inverse laplacian functions (AIL) are shown in 2D and 3D configurations and are discretized using finite-difference techniques. We show that one can calculate, a rapid and robust wavenumber filter, by solving the linear system associated with these inverse operators. When dip is included at the finite difference discretization stage, it is possible to use these operators as highly efficient, structurally orientated wavenumber filters.The AIL filter is shown to be rapid to converge and its performance is independent of the vector to be filtered. We show, that the filter can be a useful preconditioning operator for the FWI gradient. Preconditioning the gradient can mitigate against ill-posed effects mapping into the model-space. Two synthetic (Valhall and Marmousi) frequency domain FWI example are shown in this thesis. The AIL preconditioner has success at mitigating the ill-posed imprint coming from ambient noise in the observed data and also artifacts from spatial aliasing effects in the FWI imaging condition. The ability to include dip, allows one to preferentially filter along geological dip. This filtering strategy allows the mitigation of artifacts, while simultaneously preserving the stratigraphic based wavenumber content that is orthogonal to dip.A 2D, real data FWI case-study is also shown and we highlight the sensitivity of the inversion result to the initial model. The initial model is of key importance, this especially true in the areas deeper than the maximum penetration of transmitted waves. The application of FWI on this line is able to significantly improve gather alignment on a RTM, migrated image. We also see that the AIL preconditioner can allows us to significantly decrease the number of shot records we are required to model in our inversion workflow without degrading the key geological wavenumber content in the final inversion result.

Cette thèse porte sur le problème de la diffration acoustique par un obstacle et sa résolution numérique par la méthode des éléments finis de frontière. Dans les trois premiers chapitres, on s'intéresse au cas où l'obstacle possède des singularités géométriques. Nous traitons le cas particulier des singularités de bord, courbes ouvertes en dimension 2, et surfaces ouvertes en dimension 3. Nous introduisons un formalisme qui permet de retrouver les bonnes propriétés de la méthode pour des objets réguliers. Une fonction de poids est définie sur les objets diffractant, et les opérateurs intégraux usuels (simple-couche et hypersingulier) sont renormalisés de manière adéquate par ce poids. Des préconditioneurs sont proposés sous la forme de racines carrées d'opérateurs locaux. En dimension 2, nous proposons une analyse théorique et numérique complète du problème. Nous montrons en particulier que les opérateurs intégraux renormalisés font partie d'une classe d'opérateurs pseudo-différentiels sur des courbes ouvertes, que nous introduisons et étudions ici. Le calcul pseudo-différentiel ainsi développé nous permet de calculer des paramétrices des les opérateurs intégraux qui correspondent aux versions continues de nos préconditionneurs. En dimension 3, nous montrons comment ces idées se généralisent théoriquement et numériquement dans le cas pour des surfaces ouvertes. Dans le dernier chapitre, nous introduisons une nouvelle méthode de calcul rapide des convolutions par des fonctions radiales en dimension 2, l'une des tâches les plus coûteuses en temps dans la méthode des éléments finis de frontière. Notre algorithme repose sur l'algorithme de transformée de Fourier rapide non uniforme, et est la généralisation un algorithme analogue disponible en dimension 3, la décomposition creuse en sinus cardinal. / In this thesis, we are concerned with the numerical resolution of the problem of acoustic waves scattering by an obstacle in dimensions 2 and 3, with the boundary element method. In the first three chapters, we consider objects with singular geometries. We focus on the case of objects with edge singularities, first open curves in the plane, and then open surfaces in dimension 3. We present a formalism that allows to restore the good properties that held for smooth objects. A weight function is defined on the scattering object, and the usual layer potentials (single-layer and hypersingular) are adequately rescaled by this weight function. Suitable preconditioners are proposed, that take the form of square roots of local operators. In dimension 2, we give a complete theoretical and numerical analysis of the problem. We show in particular that the weighted layer potentials belong to a class of pseudo-differential operators on open curves that we define and analyze here. The pseudo-differential calculus thus developed allows us to compute parametrices for the weighted layer potentials, which correspond to the continuous versions of our preconditioners. In dimension 3, we show how those ideas can be extended theoretically and numerically, for the particular case of the scattering by an infinitely thin disk. In the last chapter, we present a new method for the rapid evaluation of discrete convolutions by radial functions in dimension 2. Such convolutions represent a computational bottleneck in the boundary element methods. Our algorithm relies on the non-uniform fast Fourier transform and generalizes to dimension 2 an analogous algorithm available in dimension 3, namely the sparse cardinal sine decomposition.

Dans le domaine de l’électromagnétisme computationnel, les équations intégrales de frontière sont très largement utilisées pour résoudre certains des plus grands problèmes directs, grâce à leur grande efficacité. Cependant les équations intégrales du champ électrique et du champ combiné (EFIE et CFIE), deux des formulations les plus employées, souffrent d’instabilités à basse fréquence et à haute discrétisation, ce qui limite leur versatilité. Dans cette thèse différentes approches sont présentées pour obtenir des algorithmes applicables aussi bien à des problèmes de compatibilité électromagnétique qu’à des applications radar. Les solutions présentées incluent (i) l’extension des projecteurs dit quasi-Helmholtz (qH) aux modélisations d’ordre supérieur ; (ii) l’utilisation de ces projecteurs pour stabiliser l’équation intégrale du champ magnétique et former une CFIE extrêmement précise, augmentée par des techniques de type Calderón, qui ne souffre de problèmes ni à basse fréquence ni à haute discrétisation et qui n’est pas sujette aux résonances artificielles ; (iii) le développement d’une EFIE filaire, basée sur des B-splines linéaires et les projecteurs qH, stable aux deux extrémités du spectre. Ces travaux ont été suivis de l’ouverture d’un nouvel axe de recherche visant l’amélioration des techniques de résolution des problèmes inverses en électromagnétique, avec pour objectif principal l’augmentation des performances des interfaces cerveau machine (BCIs). Les premiers résultats obtenus incluent le développement de l’un des premiers systèmes libres de simulation de bout en bout de session de BCI ayant été publié après revue par les pairs. / In computational electromagnetics, boundary integral equations are the scheme of choice for solving extremely large forward electromagnetic problems due to their high efficiency. However, two of the most used of these formulations, the electric and combined field integral equations (EFIE and CFIE), suffer from stability issues at low frequency and dense discretization, limiting their applicability at both ends of the spectrum. This thesis focusses on remedying these issues to obtain full-wave solvers stable from low to high frequencies, capable of handling scenarios ranging from electromagnetic compatibility to radar applications. The solutions presented include (i) extending the quasi-Helmholtz (qH) projectors to higher order modeling thus combining stability with high order convergence rates; (ii) leveraging on the qH projectors to numerically stabilize the magnetic field integral equation and obtain a highly accurate and provably resonance-free Calderón-augmented CFIE immune to both of the aforementioned problems; and(iii) introducing a new low frequency and dense discretization stable wire EFIE based on projectors and linear B-splines. In addition, a research axis focused on enhancing Brain Computer Interface (BCIs) with high resolution electromagnetic modeling of the brain has been opened ; a particular attention is dedicated to the inverse problem of electromagnetics and the associated integral equation-based forward problem. The first results of this new line of investigations include the development of one of the first peer-reviewed, freely available framework for end-to-end simulation of BCI experiments.

Dans la recherche de nouvelles alternatives pour optimiser les adaptations à l'entraînement et la performance, le pré-conditionnement ischémique (ischemic preconditioning, IPC, en anglais) a récemment attiré beaucoup d'attention en ce qui touche l'optimisation de méthodes d'entraînement éprouvées. L'ajout de cette manœuvre avant l'effort permettrait donc de créer de plus grandes adaptations au niveau physiologique et d'augmenter la performance. La manœuvre consiste à alterner des cycles de compression et de reperfusion avec des brassards de pression, de façon à limiter l'apport en sang et en oxygène aux membres ciblés. Il a été démontré que l'IPC permet d'améliorer les puissances maximale et moyenne, ainsi que la force maximale concentrique, qui sont des composantes clés de la performance en sprint. Cependant, peu de chercheurs se sont intéressés aux effets chroniques de l'IPC sur la performance en sprint. De plus, il existe très peu d'études qui documentent les effets physiologiques de l'IPC sur la fonction neuromusculaire ainsi que les effets de l'utilisation conjointe de cette technique avant des entraînements en sprint. L'étude présentée dans ce mémoire avait pour objectif primaire de mieux comprendre les effets chroniques de l'IPC sur la performance en sprint, et pour objectif secondaire de vérifier ses effets sur l'activité neuromusculaire. Les résultats rapportés dans ce mémoire mettent en évidence une augmentation de la puissance moyenne lors des 10 dernières secondes d'un test de Wingate de 30 sec, ainsi qu'une diminution de l'indice de fatigue lors de ce même test à la suite de 4 semaines d'entraînement en sprint combiné à l'IPC. Parallèlement à ce gain de performance, nos résultats montrent un meilleur maintien de la fréquence de stimulation de la commande motrice. Il semble donc que l'application chronique d'IPC avant des entraînements de sprint permet d'optimiser les effets d'un protocole d'entraînement en sprint, résultant en une meilleure tolérance à la fatigue lors d'un test de Wingate. / As athletes advance in competitive level, improvements in performance become smaller and harder to produce. In the continuous search for new and better ways to optimize training adaptations and performance, ischemic preconditioning (IPC) has attracted recent interest in enhancing otherwise proven training methods. The addition of such a maneuver prior to an effort could promote physiological adaptations which could enhance performance. Ischemic preconditioning can improve peak and mean power output, as well as maximal concentric strength, which are key components of sprint performance. This maneuver consists of alternating cycles of compression and reperfusion using blood pressure cuffs to limit blood and oxygen supply to the targeted limbs and muscles. To date, few researchers have investigated the chronic effects of IPC on sprint performance, and little research currently documents the physiological effects of IPC on the neuromuscular function. Furthermore, limited studies have looked at the combination of IPC and sprint training. The article presented in this thesis aimed at better understanding the chronic effects of sprint training preceded by IPC on neuromuscular activity and sprint performance. The results of this thesis highlight an increase in mean power output in the last 10 seconds of a Wingate test, as well as a decrease in the fatigue index following 4 weeks of sprint training combined with IPC. Concomitantly to these performance gains, we observed a better maintenance of the mean power frequency of the electromyogram. We concluded that applying IPC before sprint training alters the stimulation pattern of muscle fibers and enhances fatigue resistance during a Wingate sprint. Coaches could use such training stimulus in order to enhance neuromuscular adaptations.

La pratique d’activité physique fait partie intégrante des recommandations médicales pour prévenir et traiter les maladies coronariennes. Suivant un programme d’entraînement structuré, serait-il possible d’améliorer la réponse à l’exercice tout en offrant une protection cardiaque au patient? C’est ce que semblent démontrer certaines études sur le préconditionnement ischémique (PCI) induit par un test d’effort maximal. Les mêmes mécanismes physiologiques induits par le PCI sont également observés lorsqu’un brassard est utilisé pour créer des cycles d’ischémie/reperfusion sur un muscle squelettique. Cette méthode est connue sous l’appellation : préconditionnement ischémique à distance (PCID). À l’autre extrémité du spectre de l’activité physique, des sportifs ont utilisé le PCDI durant leur échauffement afin d’améliorer leurs performances. C’est dans l’objectif d’étudier ces prémisses que se sont construits les projets de recherches suivants. La première étude porte sur les effets du PCID sur des efforts supra maximaux de courte durée. Les sujets (N=16) ont exécuté un test alactique (6 * 6 sec. supra maximales) suivi d’un test lactique (30 secondes supra maximales) sur ergocycle. Les sujets avaient été aléatoirement assignés à une intervention PCID ou à une intervention contrôle (CON) avant d’entreprendre les efforts. La procédure PCID consiste à effectuer quatre cycles d’ischémie de cinq minutes à l’aide d’un brassard insufflé à 50 mm Hg de plus que la pression artérielle systolique sur le bras. Les résultats de ce projet démontrent que l’intervention PCID n’a pas d’effets significatifs sur l’amélioration de performance provenant classiquement du « système anaérobie », malgré une légère hausse de la puissance maximal en faveur du PCID sur le test de Wingate de trente secondes (795 W vs 777 W) et sur le test de force-vitesse de six secondes (856 W vs 847 W). Le deuxième essai clinique avait pour objectif d’étudier les effets du PCID, selon la méthode élaborée dans le premier projet, lors d’un effort modéré de huit minutes (75 % du seuil ventilatoire) et un effort intense de huit minutes (115 % du seuil ventilatoire) sur les cinétiques de consommation d’oxygène. Nos résultats démontrent une accélération significative des cinétiques de consommation d’oxygène lors de l’intervention PCID par rapport au CON aux deux intensités d’effort (valeur de τ1 à effort modéré : 27,2 ± 4,6 secondes par rapport à 33,7 ± 6,2, p < 0,01 et intense : 29,9 ± 4,9 secondes par rapport à 33,5 ± 4,1, p < 0,001) chez les sportifs amateurs (N=15). Cela se traduit par une réduction du déficit d’oxygène en début d’effort et une atteinte plus rapide de l’état stable. Le troisième projet consistait à effectuer une revue systématique et une méta-analyse sur la thématique du préconditionnement ischémique (PCI) induit par un test d’effort chez les patients coronariens utilisant les variables provenant de l’électrocardiogramme et des paramètres d’un test d’effort. Notre recherche bibliographique a identifié 309 articles, dont 34 qui ont été inclus dans la méta-analyse, qui représente un lot de 1 053 patients. Nos analyses statistiques démontrent que dans un effort subséquent, les patients augmentent leur temps avant d’atteindre 1 mm de sous-décalage du segment ST de 91 secondes (p < 0,001); le sous-décalage maximal diminue de 0,38 mm (p < 0,01); le double produit à 1 mm de sous-décalage du segment ST augmente de 1,80 x 103 mm Hg (p < 0,001) et le temps total d’effort augmente de 50 secondes (p < 0,001). Nos projets de recherches ont favorisé l’avancement des connaissances en sciences de l’activité physique quant à l’utilisation d’un brassard comme stimulus au PCID avant un effort physique. Nous avons évalué l’effet du PCID sur différentes voies métaboliques à l’effort pour conclure que la méthode pourrait accélérer les cinétiques de consommation d’oxygène et ainsi réduire la plage du déficit d’oxygène. Nos découvertes apportent donc un éclaircissement quant à l’amélioration des performances de type contre-la-montre étudié par d’autres auteurs. De plus, nous avons établi des paramètres cliniques permettant d’évaluer le PCI induit par un test d’effort chez les patients coronariens. / Physical activity is an integral part of medical recommendations for preventing and treating coronary heart disease. By following a structured training program, is it possible to improve response to exercise and provide heart protection at the same time? This is suggested by certain studies on ischemic preconditioning (IPC) induced by a maximal exercise test. The same physiological mechanisms induced by IPC are also observed when a pressure cuff is used to create cycles of ischemia/reperfusion on skeletal muscle. This is known as remote ischemic preconditioning (RIPC). At the other end of the physical activity spectrum, athletes have used RIPC during warm-ups to improve performance. The following research projects were developed to study these premises. The first trial addressed the effects of RIPC on short supra-maximal exercise. The subjects (N = 16) performed an alactic test (six seconds of supra-maximal exercise) followed by a lactic test (30 seconds of supra-maximal exercise) on a cycle ergometer. The subjects were randomly assigned to an RIPC or CON intervention before the exercise. The RIPC procedure involved four cycles of ischemia using a pressure cuff inflated to 50 mmHg above systolic blood pressure at the arm. The results of the project show that RIPC intervention does not significantly improve performance typical of the anaerobic system, despite a slight increase in maximal power output in favour of RIPC in the 30 second Wingate test (795 W vs. 777 W) and in the 6 seconds test (856 W vs. 847 W). The aim of the second clinical trial was to study the effects of RIPC during eight minutes of moderate exercise (75% of ventilatory threshold) and intense exercise (115% of ventilatory threshold) on the kinetics of O2 uptake. Our results showed a significant acceleration in the kinetics of O2 uptake during the RIPC intervention compared to the CON intervention for the two exercise intensities (value of 1 during moderate exercise: 27.2 ± 4.6 seconds compared with 33.7 ± 6.2, p < .01 and intense exercise: 299 ± 4.9 seconds compared with 33.5 ± 4.1, p < .001) in amateur athletes (N= 15). This means a reduction in the oxygen deficit at the onset of exercise and more rapid achievement of the steady state. The third project involved performing a systematic review and meta-analysis on ischemic preconditioning (IPC) induced by an exercise test in coronary patients. Our literature search identified 309 articles, 34 of which were included in the meta-analysis, which represents a batch of 1,053 patients. Our statistical analyses show that in subsequent exercise, patients' time to 1 mm ST segment depression is augmented by 91 seconds (p < .001); the maximum depression decreases by 0.38 mm (p < .01); the double product at 1 mm ST segment depression increases by 1.80 x 103 mmHg (p < .001) and the total time of exercise increases by 50 seconds (p < .001). Our research projects have promoted the advancement of knowledge in exercise science by the use of a cuff as a stimulus to the RIPC before sports performance. We evaluated the effect of the RIPC on different metabolic pathways and we concluded that the method could accelerate the kinetics of oxygen consumption and reduce the range of oxygen deficit. In addition, we have established clinical parameters for assessing the IPC induced by a stress test for coronary patients. / Il praticare attività fisica è parte integrante delle raccomandazioni mediche atte a prevenire e trattare le coronopatie. Seguendo un programma di allenamento strutturato, sarebbe possibile migliorare la risposta all’esercizio, pur offrendo una protezione cardiaca al paziente: è ciò che sembrano dimostrare alcuni studi sul precondizionamento ischemico (PCI) indotto mediante test da sforzo massimale. Gli stessi meccanismi fisiologici indotti dal PCI vengono inoltre osservanti utilizzando una fascia da braccio per creare dei cicli d’ischemia/riperfusione su un muscolo scheletrico. Tale metodo è conosciuto con il nome di “precondizionamento ischemico a distanza” (PCID). All’estremità opposta dello spettro dell’attività fisica, alcuni sportivi hanno impiegato il PCID durante il riscaldamento, al fine di migliorare le proprie prestazioni. I seguenti progetti di ricerca sono stati elaborati con l’obiettivo di studiare queste premesse. Il primo studio riguarda gli effetti del PCID sugli sforzi sovramassimali di breve durata. I soggetti (N = 16) hanno effettuato un test anaerobico alattacido (6 x 6 sec. sovramassimali), seguito da un test anaerobico lattacido (30 secondi sovramassimali) su ergociclo. I soggetti sono stati aleatoriamente assegnati a un intervento di PCID o a un intervento di controllo (CON) prima di effettuare gli sforzi. La procedura di PCID consiste nell’effettuare quattro cicli d’ischemie con l’ausilio di una fascia da braccio a 50 mm Hg in più rispetto alla pressione arteriosa sistolica. I risultati del progetto dimostrano che l’intervento di PCID non ha effetti significativi sul miglioramento della prestazione proveniente classicamente dal “sistema anaerobico”, nonostante un leggero aumento di potenza a favore del PCID sul test di Wingate (795 W vs 777 W) di sei secondi (856 W vs 847 W). La seconda sperimentazione clinica aveva come obiettivo lo studio degli effetti del PCID durante uno sforzo moderato di otto minuti (75% della soglia ventilatoria) e intenso (115% della soglia ventilatoria) sulle cinetiche di consumo d’ossigeno. I nostri risultati dimostrano un’accelerazione significativa delle cinetiche di consumo d’ossigeno durante l’intervento di PCID rispetto al CON alle due intensità di sforzo (valore da 1 a sforzo moderato: 27,2 ± 4,6 secondi rispetto a 33,7 ± 6,2, p < 0,01 e intenso: 29,9 ± 4,9 secondi rispetto a 33,5 ± 4,1, p < 0,001) negli sportivi dilettanti (N= 15). Ciò si traduce con una riduzione del deficit di ossigeno all’inizio dello sforzo e un raggiungimento più rapido dello stato stazionario. Il terzo progetto consisteva nell’effettuazione di una revisione sistematica e una meta-analisi sulla tematica del precondizionamento ischemico (PCI) indotto mediante test da sforzo nei pazienti coronopatici. La nostra ricerca bibliografica ha individuato 309 articoli, 34 dei quali sono stati inclusi nella meta-analisi, che rappresentano un gruppo di 1.053 pazienti. Le analisi statistiche da noi effettuate dimostrano che in uno sforzo susseguente, i pazienti aumenti i loro tempi prima di raggiungere 1 mm di sottoslivellamento del segmento ST di 91 secondi (p < 0,001); il sottoslivellamento massimo diminuisce di 0,38 mm (p < 0,01); il doppio prodotto a 1 mm di sottoslivellamento del segmento ST aumenta di 1,80 x 103 mm Hg (p < 0,001) e il tempo totale di sforzo aumenta di 50 secondi (p < 0,001).

Le postconditionnement cardiaque est paradoxal chez le rat. Certains auteurs ont montré que cet animal pouvait être protégé par le postconditionnement alors que d'autres ont montré qu'il était inefficace. L'objectif de notre travail était d'éclaircir cette situation et d'établir un lien entre la régulation des fonctions mitochondriales et la réussite ou l'échec du postconditionnement. Nous avons montré sur un modèle in vivo que le rat est sensible au postconditionnement cardiaque sous certaines conditions. Il semble que la réussite de cette thérapie nécessite à la fois une préservation de la phosphorylation oxydative, une inhibition de l'ouverture du mPTP et une diminution de la production de ROS. Nous avons également montré que le complexe I de la chaîne respiratoire régule l'ouverture du mPTP en liaison avec l'état de la Cyp D. L'ensemble de nos résultats montrent que le rat n'est pas réfractaire au postconditionnement, mais pour que celui-ci soit efficace, il est nécessaire de préserver l'intégrité des différentes fonctions mitochondriales. La cardioprotection et la régulation des fonctions mitochondriales sont donc spécifiquement liées au modèle utilisé