Les organismes vivants prennent des décisions en permanence à l’aide de réseau de réactions chimiques couplées (CRN) les unes aux autres. Cette capacité a inspirée de nombreux scientifiques qui cherchent aujourd’hui à construire des versions synthétiques de ces réseaux pour créer des systèmes dynamiques complexes. Les molécules d’ADN constituent une solution idéale pour construire de tels CRNs. Le travail de recherche présenté dans ce manuscrit vise à développer des surfaces actives qui permettent d’interagir avec la PEN toolbox en environnement microfluidique afin de pouvoir utiliser pleinement le potentiel de tels systèmes moléculaires. Nous avons étudié l’utilisation de la PEN toolbox en microfluidique en explorant différents paramètres. Nous discuterons ensuite de la réalisation de surfaces actives et de leur caractérisation. Celles-ci sont concues pour permettre l’immobilisation de brins d’ADN via une liaison thiol et leur largage en solution en rompant électro-chimiquement cette liaison. Nous discuterons également d’aspect technique permettant l’intégration aisée d’une telle stratégie dans des dispositifs microfluidiques. Par la suite, nous montrerons qu’il est possible de contrôler spatio-temporellement le largage d’instructions à base d’ADN. Pour ce faire, nous nous appuierons sur une version plus évoluée de l’auto-catalyseur présenté précédemment. Nous mettrons en évidence qu’il est possible d’initier de façon contrôlée des phénomènes de réaction-diffusion dans des canaux microfluidiques.Pour finir, nous ouvrirons des perspectives pour la conception de surface actives permettant un niveau de contrôle encore plus grand des systèmes moléculaires. / Living organisms perform complex information processing tasks with a help of intertwined chemical reaction networks (CRNs) and diffusion processes. These biological phenomena inspired scientists to design from the bottom-up dynamical systems with complex spatiotemporal behaviour. DNA provides a perfect solution for building these synthetic CRNs. Our research work focused on designing active surfaces with the aim to provide a convenient way to interact in microfluidics with the PEN toolbox (as an example of DNA-based CRNs) and explore the full potential of these novel biochemistry tools. We will study the step by step assembly and optimisation of the PEN toolbox parameters. Next, we will discuss the construction and characterisation of active surfaces, which provide loading and controllable release of DNA input, based on formation and electrochemical cleavage of gold-thiol bond. We will also provide a technological solution to integrate these surfaces and the PEN toolbox in microfluidics. We will show controllable triggering of basic activation and autocatalysis PEN toolbox modules. We will further apply our method for spatiotemporal control of autocatalytic CRNs, which have higher stability then simple autocatalytic module while still providing an exponential signal amplification contrary to the activation module. This approach allows us to investigate and optimise the parameters of our technology. Finally, we will discuss the construction of active surfaces with irreversibly bound DNA, which provides a higher level of the PEN toolbox spatiotemporal behaviour, based on electrical polarisation and tuning the shape of surface-attached DNA patterns.

Ce travail de thèse avait pour objectif d'explorer les spécificités cognitives des enfants à haut potentiel intellectuel (EHPI). Ces enfants présentent habituellement un Quotient Intellectuel (QI) élevé, estimé à partir de tests standardisés comme le Wechsler Intelligence Scales for Children (WISC). Ce type d'évaluation est souvent coûteux en temps. Premièrement, nous sommes alors intéressés à l'élaboration et à la sélection de formes abrégées du WISC ayant les meilleures qualités psychométriques ainsi que les meilleures probabilités d'identifier les EHPI. Ces formes abrégées offrent la possibilité aux praticiens et aux chercheurs de réaliser des évaluations approfondies afin d'identifier les caractéristiques socioémotionnelles et cognitives de ces enfants à besoins particuliers, afin de leur proposer des programmes éducatifs spéciaux. Parmi les différentes aptitudes cognitives, les capacités attentionnelles et de mémoire de travail (MDT) ont particulièrement retenu notre attention à cause de leurs liens privilégiés avec les capacités intellectuelles, les capacités d'apprentissage ou encore les performances scolaires. Deuxièmement, nous avons montré que le rythme développemental des réseaux attentionnels des EHPI ne se différenciait pas de celui de leurs pairs. Toutefois, les EHPI présentaient une meilleure capacité de contrôle exécutif que leurs pairs.Troisièmement, nous avons présenté l'utilité d'une épreuve adaptative de la MDT dans les études développementales. À partir de cette épreuve originale de MDT, nous avons confirmé que les EHPI présentent de meilleures performances en MDT que leurs pairs. Nos résultats ont également montré que leur rapidité à traiter la phase interférente de cette tâche semble être importante dans le fonctionnement de leur MDT. Ce travail de thèse a permis de confirmer et d'approfondir nos connaissances sur les caractéristiques cognitives des EHPI. Dans une perspective développementale et éducative, l'identification des forces et des limites de leurs caractéristiques cognitives semble fondamentale dans la prise en compte de leurs besoins éducatifs particuliers / The aim of this research was to explore the cognitive specificities of intellectually gifted children (IGC). These children usually have a high Intellectual Quotient (IQ), estimated from standardized tests such as the Wechsler Intelligence Scales for Children (WISC). This type of evaluation is often time-consuming. Firstly, we focused on the elaboration and selection of short forms of WISC with the best psychometric qualities and the best probabilities of identifying IGC. These short forms offer the opportunity of practitioners and researchers to conduct in-depth assessments to identifying the socio-emotional and cognitive characteristics of these children with special needs, in order to offer them special educational programs. Among the various cognitive aptitudes, attention and working memory capacities (WMC) have been investigated in IGC. These cognitive aptitudes are closely linked with intellectual capacities, learning capacities or even academic performance. Secondly, we have shown that the gradient of attentional networks development in IGC was not different from that of their peers. However, IGC had a higher executive control than that of their peers. Thirdly, a study has shown the utility of a WMC task with an adaptive procedure in developmental studies. Based on this original WMC task, another study has confirmed that IGC perform better in WMC than their peers. Their speed to process the interfering phase seems to involve in their high WMC. This doctoral thesis has confirmed and broaden our knowledge about the cognitive characteristics of IGC. In developmental and educational perspective, the strengths and limitations of cognitive characteristics have strong impact on the identification of their particular educational needs

Les systèmes biologiques présentent de nombreux phénomènes complexes, aux interactions encore plus complexes. La modélisation a pour but de faciliter l'étude et la compréhension des systèmes biologiques, par l'observation ou la simulation des modèles créés. Les réseaux d'interactions biomoléculaires sous-tendent ces modèles. Les travaux de thèse que nous présentons portent sur la prédiction systématique de réseaux d'interactions biomoléculaires, afin de fournir les éléments d'entrée nécessaires au processus de modélisation. Les deux thèmes centraux seront la prédiction de réseaux d'interactions protéine-protéine et l'extrapolation de voies métaboliques. Nous définissons tout d'abord un cadre formel d'extraction de graphes d'interactions dictée par des politiques, qui permet de créer des résumés intelligents à partir de jeux de données hétérogènes. Une séparation claire des tâches d'extraction et de visualisation de l'information nous permet d'exprimer différents algorithmes existants, estimant par exemple la qualité des réseaux d'interactions biomoléculaires prédits. Nous avons mis en oeuvre ce cadre formel dans le logiciel ProViz [Iragne et al., 2005]. Nous présentons par la suite, des méthodes informatiques d'extrapolation de voies métaboliques, inspirées du précédent formalisme et basées sur l'utilisation de voies de référence et sur une identification robuste d'équivalents fonctionnels. Ces méthodes nous permettent de prédire un ensemble de voies métaboliques centrales, formant la base de modèles pour des organismes dont seules les données génomiques sont disponibles. Les différents résultats, disponibles en ligne [Sherman et al., 2006] ou en cours de publication, nous permettent de valider notre approche.

De nombreux travaux portent sur les réseaux de neurones artificiels appliqués à des systèmes fortement contraints (systèmes ambulatoires, systèmes autonomes, systèmes adaptatifs, etc), pour lesquels le caractère élémentaire et massivement distribué des calculs neuronaux s'avère un atout. De façon plus large, ce caractère définit la nature même des calculs connexionnistes : une puissance de calcul et une robustesse fondées sur un parallélisme massif à grain très fin où les unités de calcul s'insèrent dans un flux d'informations très dense. Il est donc indispensable de pouvoir pleinement exploiter ce parallélisme connexionniste, à la fois en termes de potentiel de calcul et en termes de perspectives d'implantations embarquées efficaces. Une partie de ces travaux s'attache à définir différentes approches d'implantation massivement parallèle de réseaux neuronaux. Une approche globale de la pratique de calcul connexionniste ne peut pas faire l'économie d'une réflexion sur les fondements de la conception des architectures connexionnistes susceptibles de résoudre un problème donné. L'essentiel des travaux sur les réseaux de neurones s'est concentré sur la définition de familles de modèles neuronaux dont l'apprentissage permet de traiter des tâches telles que classification, régression, discrimination, auto-régression, etc. Ces modèles restent d'actualité, ne serait-ce que par la variété des applications dans lesquelles ils jouent encore un rôle central, et les travaux rapportés dans ce manuscrit portent en partie sur ces modèles. Néanmoins, ils n'apparaissent le plus souvent que comme des outils de traitement statistique de données, au même titre que de nombreux autres modèles. Ils se heurtent ainsi à une barrière de complexité dans les problèmes qu'ils sont susceptibles de résoudre. Franchir "à l'aveuglette" cette barrière, c'est à dire proposer ex nihilo des architectures connexionnistes capables de réaliser des tâches cognitives complexes, ne semble pas raisonnable. De nombreux chercheurs suggèrent alors de prendre appui sur des exemples naturels de systèmes distribués capables de réaliser ces tâches. Les neurosciences sont une orientation possible. C'est cette inspiration sur la base des mécanismes observés dans le cerveau qui est proposée dans une partie des travaux rapportés dans ce manuscrit. L'objet de ces travaux n'est pas de faire le tour de l'apport possible des neurosciences pour la conception des modèles connexionnistes, mais de montrer que même dans le cas de modèles d'inspiration corticale, la défense du parallélisme connexionniste passe par une étude focalisée sur les mécanismes locaux de gestion du flux d'informations sous-jacent à ces modèles.

Depuis quelques années, le besoin de systèmes de communications plus rapides et plus sures se fait sentir. Le partage entre utilisateurs de la très grande bande passante des fibres optiques nécessite des techniques d'accès adaptées. Afin de répondre à ces besoins, un certain nombre de techniques de multiplexage, dont le CDMA, ont été développées. Cette technique d'accès multiple est déjà largement utilisée dans les systèmes de communications radio-mobiles, que ce soit dans les normes américaines (IS 95), japonaises ou, plus récemment, européenne (UMTS). Ce rapport de thèse traite du DS-CDMA appliqué aux communications optiques. Le premier chapitre permet une mise en contexte et décrit le fonctionnement des techniques de multiplexage utilisées dans les systèmes radiofréquences et les systèmes de transmissions optiques. Le second chapitre présentes les différents types de code utilisés dans les systèmes CDMA. Les codes bipolaires associés aux systèmes radiofréquences sont définis et une présentation des codes optiques est effectuée. Les caractéristiques et contraintes que doivent respecter ces codes optiques, pour être utilisable dans une liaison DS-CDMA optique, sont données. Dans le troisième chapitre, la transmission de signaux CDMA sur un canal optique, passif ou amplifié est abordée et les configurations de décodage électrique et optique, ainsi que les performances du système optique dans ces différentes configurations sont étudies La dernière partie de notre étude concernera l'utilisation de codeurs / décodeurs à réseaux de Bragg dans un système CDMA optique. Des simulations et des montages expérimentaux permettront d'étudier la faisabilité d'une telle implémentation.

Cette thèse décrit la construction d'un modèle de réseaux non-directionnels (e.g. réseaux routiers), fondé sur les contours actifs d'ordre supérieur (CAOSs) et les champs de phase développés récemment, et introduit une nouvelle famille des CAOSs des champs de phase pour des réseaux directionnels (e.g. réseaux hydrographiques en imagerie de télédétection, vaisseaux sanguins en imagerie médicale). Dans la première partie de cette thèse, nous nous intéressons à l'analyse de stabilité d'une énergie de type CAOSs aboutissant à un ‘diagramme de phase'. Les résultats, qui sont confirmés par des expériences numériques, permettent une bonne sélection des valeurs des paramètres pour la modélisation de réseaux non-directionnels. Au contraire des réseaux routiers, les réseaux hydrographiques sont directionnels, i.e. ils contiennent un ‘flux' monodimensionnel circulant dans chaque branche. Cela implique des propriétés géométriques spécifiques des branches et particulièrement des jonctions, propriétés qu'il est utile de traduire dans un modèle, pour l'extraction de réseaux. Nous développons donc un modèle de champ de phase non-local de réseaux directionnels, qui, en plus du champ de phase scalaire décrivant une région par une fonction caractéristique lisse et qui interagit non-localement afin que des configurations de réseaux linéiques soient favorisées, introduit un champ vectoriel représentant le ‘flux' dans les branches du réseau. Ce champ vectoriel est contraint d'être nul à l'extérieur, et de magnitude égale à 1 à l'intérieur du réseau ; circulant dans le sens longitudinal des branches du réseau ; et de divergence très faible. Cela prolonge les branches du réseau ; contrôle la variation de largeur tout au long une branche ; et forme des jonctions non-symétriques telles que la somme des largeurs entrantes soit approximativement égale à celle des largeurs sortantes. En conjonction avec une nouvelle fonction d'interaction pour le champ de phase scalaire, le modèle assure aussi une vaste gamme de valeurs des largeurs stables des branches. Ce nouveau modèle a été appliqué au problème d'extraction de réseaux hydrographiques à partir d'images satellitaires très haute résolution.

Nous nous intéressons dans cette thèse à l'étude d'événements rares dans des réseaux de communications. Dans un premier temps, nous introduisons la classe des réseaux monotones séparables qui nous permettra une analyse systématique de réseaux de grande dimension. Parmi ceux-ci, nous appliquerons notre théorie en détail aux réseaux (max,plus)-linéaires et aux réseaux de Jackson généralisés. La première étape de notre étude consiste à comprendre la dynamique de ces réseaux. Nous décrivons leur comportement fluide, ce qui permet d'écrire les conditions de stabilité du réseau et de construire les variables d'état dans leur régime stationnaire. L'étude trajectorielle du réseau nous permet ensuite de comprendre le comportement aléatoire du réseau. Nous calculons les asymptotiques des probabilités d'événements rares (dont la probabilité tend vers 0) et décrivons "comment" ces événements se produisent. Nous montrons que le "comportement" du réseau est radicalement différent selon les hypothèses probabilistes faites sur les temps de service. Dans le cas de distributions sous-exponentielles, l'événement rare est dû à un unique grand service qui bloque une station du réseau tandis que dans le cas de distributions à queue exponentielle, l'événement rare est dû à une conjonction de nombreux temps de services anormalement longs. Ces heuristiques sont rendues précises par les calculs des probabilités considérées. Dans un dernier temps, nous considérons un cas intermédiaire et étudions l'impact d'une structure de dépendance entre les différents temps de service grâce au mouvement Brownien fractionnaire.

Many protocols and applications in wireless multi-hop networks indispensably use broad- casting to delivery messages to all nodes in a network. Wireless routing protocols such as DSR, AODV and ODRMP broadcast route discovery messages, and many application protocols exchange query and response messages by broadcasting. Hence, the efficiency of broadcasting is critical to efficiency of these wireless protocols. Efficient wireless broadcast- ing is a topic that this thesis studies where efficiency is measured by the total transmission number to broadcast one unit data to the whole network. The study is done in two ways: extending classical methods and utilizing a novel method, network coding. Classical broadcasting protocols are based on store-and-forward routing that views pack- ets as atomic objects and lets a node store incoming packets in its local queue for some delay, before forwarding one or several copies of the packets to its neighbors. Among the classical broadcast protocols, the simplest and most widely used broadcast protocol is pure flood- ing. Pure flooding reliably provides total coverage of a network, but causes redundancy of packets, resulting in unnecessary collisions, and enormous inefficiency. To combat this inef- ficiency, many efficient broadcast protocols have been studied using probabilistic algorithms such as a gossip protocol, or algorithms based on topology control such as a Multi-Point Relay (MPR) based protocol. These broadcast protocols have been successfully used in many wireless protocols standardized in IEEE 802.11 and IETF. One possible application of the broadcast protocols is wireless mesh networks standard- ized in 802.11Working Group S. The 802.11 mesh networks face challenges such as inefficient broadcasting of so-called associated station information that is partially updated; there ex- ists redundancy between newly updated data and already broadcasted data. This thesis addresses these challenges by introducing an Association Discovery Protocol (ADP) that is combined with MPR-based broadcasting and integrated with an extension of an Optimized Link State Routing (OLSR) protocol for the 802.11 mesh networks. The results of analysis with modeling and simulation show that the protocol effectively decreases control overhead. However, for continuous data traffic, there exists another possible broadcast solution, which could theoretically outperform the broadcast protocols with classical store-and-forward routing and would not require precise topology information. This solution is network coding. Theoretically, network coding enables an optimized solution for wireless broadcasting in a polynomial time, while it is NP-complete with classical store-and-forward routing and only approximation algorithms exist. Hence, broadcasting with network coding is, theoretically, at least as efficient as any other broadcasting. This thesis focuses on utilizing network coding specifically as a practical solution for efficient wireless broadcasting. For the practical solution, this thesis proposes simple al- gorithms based on intuitive rationale about optimal efficiency of wireless network coding. The efficiency of the proposed simple algorithms is theoretically analyzed, and proven to be asymptotically optimal. The efficiency also is experimentally analyzed and shown, in some examples, to outperform other broadcasting with classical store-and-forward routing. Finally, from these simple algorithms we derive a practical broadcasting protocol executing with a simple and efficient coding method (that is, random linear coding). In addition, we propose a simple novel method for real-time decoding that could be combined with the practical network coding broadcasting protocol.

Les hypothèses qui sous-tendent les modèles de prédiction de la défaillance d'entreprise ont conduit leurs auteurs à privilégier comme méthodes d'élaboration, celles issues de la statistique et de l'analyse de données. Parmi toutes les méthodes employées – analyse discriminante, régression logistique, arbre de décision, etc. – les réseaux de neurones occupent une place privilégiée depuis une vingtaine d'années en raison de leurs propriétés mathématiques intrinsèques, mais aussi à cause des caractéristiques spécifiques qu'ils confèrent aux modèles. Pour autant, la performance d'un modèle numérique, c'est-à-dire sa capacité prédictive, ne dépend pas simplement de la famille de méthode qui l'a produit. Elle dépend des données employées pour son ajustement. Or, les travaux de recherche réalisés jusqu'à présent se sont appuyés essentiellement sur des variables de convenance, choisies parce qu'elles sont présentes dans les échantillons retenus ou parce qu'elles correspondent à des indicateurs traditionnels associés à la « santé financière » d'une entreprise. L'objet de ce travail doctoral s'inscrit dans cette perspective. Il vise à montrer en quoi les méthodes de sélection de variables adaptées aux réseaux de neurones, fondés sur des heuristiques d'énumération, offrent une alternative utile aux choix arbitraires de ces dernières ; ils permettent d'améliorer le degré de précision dans la prévision d'une défaillance et, grâce à une détection des variables pertinentes, d'approfondir la connaissance du problème traité.

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