La relaxométrie RMN bas champ du proton (20 MHz) a été utilisée au cours de ce travail pour étudier d’une part, les phénomènes mis en jeu dans les composites bois/ciment (CBC) lors de la phase d’hydratation, et d’autre part, le comportement des composites durcis conditionnés en atmosphère humide ou immergés dans l’eau. Dans une première partie, la relaxométrie a permis de suivre simultanément la transformation de l’eau évaporable en hydrates, et l’évolution de la microstructure du ciment, tout au long de la prise. Elle a également permis d’observer les transferts d’eau entre la matière végétale et la matrice de ciment et d’évaluer la compatibilité entre les différentes essences de bois et le ciment. Dans une deuxième partie, l’impact de certaines modifications chimiques du bois ou de la matrice sur l’hydratation du ciment a été étudié. Différents comportements ont été observés en fonction des fonctions chimiques greffées à l’intérieur du bois ou de l’adjuvant chimique incorporé dans la matrice. Enfin, dans une troisième partie, le comportement des composites durcis vis-à-vis de l’eau, ainsi que leurs performances mécaniques, ont été évalués. / In this work, low field proton NMR relaxometry (20 MHz) was applied to study wood-bonded cement composites hydration and the behaviour of hardened composites conditioned in humid atmosphere or immersed in water. In a first part, relaxometry was used to simultaneously follow the transformation of evaporable water into hydrates and the microstructure development during cement setting and hardening. This technique was also used to observe water transfer from wood to the cement matrix and to evaluate wood cement compatibility. In the second part, the influence of wood or matrix chemical modification on cement hydration was studied. Different behaviours were observed depending on the chemical group grafted unto wood or the chemical admixture added to the matrix. In the third part, the effect of moisture and the mechanical properties of hardened composites were evaluated.

Dans cette thèse, nous avons proposé deux modèles multi-compartiments en IRM de relaxométrie T2 (MCT2) fournissant des informations sur la microstructure des tissus cérébraux. Trois compartiments de relaxométrie T2 ont été considérés dans chaque voxel représentant des tissus avec des temps de relaxation T2 courts, T2 moyens et T2 élevés. La complexité associée à l'estimation des paramètres de tels modèles paramétriques a ensuite été explorée. Le premier modèle MCT2 que nous avons proposé a estimé la représentation fractionnelle de compartiments T2 prédéfinis. Dans le second modèle, les représentations fractionnaires et le paramètre de relaxation moyenne ont été estimés pour le compartiment T2 moyen. Dans les deux modèles, le choix de l'approche était justifié par une analyse de la fonction de coût et un cadre d’estimation a été proposé. Le modèle MCT2 a été utilisé pour deux applications. Dans la première application, l’évolution des biomarqueurs de MCT2 a été étudiée dans les lésions de sclérose en plaques (SEP) présentant une prise de contraste gadolinium (Gd) ou non chez 10 patients présentant un syndrome cliniquement isolé. La seconde application a démontré le potentiel de combinaison des biomarqueurs MCT2 avec les informations de microstructure dérivées de l'IRM de diffusion pour identifier les régions présentant une prise de contraste Gd dans les lésions de SEP. Les résultats montrent que les biomarqueurs MCT2 proposés peuvent constituer des outils efficaces pour étudier l’état et l’évolution de la microstructure tissulaire dans le cerveau. La combinaison des biomarqueurs MCT2 avec les informations de microstructure dMRI nous a permis de progresser vers la résolution d’un problème critique et délicat consistant à limiter l'utilisation de gadolinium dans la détection de régions de lésion améliorantes dans les lésions de SEP. / In this thesis, we propose two multi-compartment T2 relaxometry (MCT2) models which provide information on brain tissue microstructure. Three T2 relaxometry compartments were considered in each voxel representing tissues with short T2, medium T2 and high T2 relaxation times. The complexity associated with the estimation of the parameters for such parametric models has then been explored. The first MCT2 model we propose computes the fractional representation of pre-defined T2 pools. In the next MCT2 model the fractional representations as well as T2 pool parameter were estimated for the medium T2 compartment. For both models the choice of approach was justified using a cost function analysis and a dedicated estimation framework was proposed.Our MCT2 model was used for two applications. In the first application the evolution of MCT2 biomarkers was studied in gadolinium (Gd) enhancing and nonenhancing regions of multiple sclerosis (MS) lesions in 10 patients with clinically isolated syndrome. The potential of combining the MCT2 biomarkers with diffusion MRI (dMRI) derived microstructure information to identify Gd enhancing regions in MS lesions was then demonstrated in the second application. The results show that the proposed MCT2 biomarkers can be effective tools to study the condition and evolution of tissue microstructures in the brain. Combining the MCT2 biomarkers with dMRI microstructure information enabled us to address a critical and challenging problem of limiting the use of gadolinium usage in detecting enhancing lesion regions in MS patients.

Cette thèse est consacrée à la cartographie de la microstructure du cerveau humain par IRM quantitative et de diffusion. L'imagerie quantitative T1/T2 repose sur des séquences dédiées à la cartographie des temps de relaxation T1 et T2. Leurs variations au sein du tissu sont liées aux différents compartiments d'eau issus d'organisations spécifiques à l'échelle cellulaire. Mesurer ces paramètres quantitatifs permet donc de mieux caractériser la microstructure du tissu cérébral. L'IRMd étudie le mouvement brownien des molécules d'eau dans le tissu cérébral dans lequel leur mouvement est contraint par des barrières naturelles, telles que les membranes cellulaires. Ainsi, les informations sur leurs déplacements contenues dans le signal de diffusion permettent de révéler la cytoarchitecture sous-jacente. La combinaison de ces deux modalités donne donc une unique possibilité de mieux sonder la microstructure du tissu cérébral. Ce travail vise à mettre en place la méthodologie permettant d’étudier chez l'homme, in vivo, la microstructure de la matière blanche cérébrale. La première partie inclut l'acquisition d'une base IRM unique de 79 sujets sains (base Archi/CONNECT) incluant des données anatomiques à haute résolution spatiale, des données de relaxométrie, des données de diffusion à haute résolution angulaire, et fonctionnelles. Ces données ont permis dans un premier temps de construire le premier atlas de la connectivité anatomique du sujet sain grâce à la segmentation automatique des grands faisceaux de la substance blanche de tous les sujets. Cet atlas fournit un repère anatomique au sein de la substance blanche pour ensuite étudier pour chaque faisceau les paramètres quantitatifs caractérisant son organisation microstructurelle. L'accent a d’abord été mis sur la construction du premier atlas des profils des temps de relaxation T1/T2 le long des grandes voies de la matière blanche. Ces profils ont ensuite été corrélés avec les profils quantitatifs issus de l'imagerie de diffusion (fraction d'anisotropie, diffusivités radiales et longitudinales, coefficient de diffusion apparent) pour mieux comprendre leurs relations et d'expliquer la variabilité le long des faisceaux et les asymétries interhémisphériques. La deuxième partie de cette thèse fut centrée sur la modélisation du tissu cérébral à l'échelle cellulaire pour extraire des paramètres quantitatifs caractérisant la microstructure, tel que le diamètre et la densité des axones. Une séquence d’IRMd a été développée sur les imageurs 3T et 7T cliniques de NeuroSpin, permettant de jouer n'importe quelle forme de gradients et ainsi de s'inscrire dans une démarche où cette forme résulte d'une optimisation sous l'hypothèse d'un modèle géométrique du tissu et sous contraintes matérielles et temporelles liées aux applications cliniques. Cette séquence a été utilisée pour scanner 14 sujets sains afin de construire le premier atlas du diamètre et de la densité locale des axones. Nous avons également proposé un nouveau modèle géométrique de l'axone, divisant le compartiment axonal, habituellement modélisé par un simple cylindre en deux compartiments: le premier correspondant aux molécules d’eau à diffusivité lente, entourant la membrane de l'axone et le second correspondant aux molécules plus loin des membranes à plus forte diffusivité, moins restreinte. Nous avons mené une étude théorique montrant que sous des conditions cliniques, utiliser ce nouveau modèle pourrait aider à limiter la surestimation des petits axones que l’on observe dans les études actuelles. Pour aller plus loin dans la physiopathologie de l'autisme, nous avons rajouté au protocole d'imagerie à 3T déjà en place la séquence que nous avons développée afin de cartographier le diamètre et la densité des axones et ainsi mieux comprendre les atrophies au sein du corps calleux, initialement observées via des paramètres moins spécifiques tels que la fraction d'anisotropie. D'autres applications cliniques sont à venir. / This thesis is focused on the human brain microstructure mapping using quantitative and diffusion MRI. The T1/T2 quantitative imaging relies on sequences dedicated to the mapping of T1 and T2 relaxation times. Their variations within the tissue are linked to the presence of different water compartments defined by a specific organization of the tissue at the cell scale. Measuring these parameters can help, therefore, to better characterize the brain microstructure. The dMRI, on the other hand, explores the brownian motion of water molecules in the brain tissue, where the water molecules’ movement is constrained by natural barriers, such as cell membranes. Thus, the information on their displacement carried by the dMRI signal gives access to the underlying cytoarchitecture. Combination of these two modalities is, therefore, a promising way to probe the brain tissue microstructure. The main goal of the present thesis is to set up the methodology to study the microstructure of the white matter of the human brain in vivo. The first part includes the acquisition of a unique MRI database of 79 healthy subjects (the Archi/CONNECT), which includes anatomical high resolution data, relaxometry data, diffusion-weighted data at high spatio-angular resolution and functional data. This database has allowed us to build the first atlas of the anatomical connectivity of the healthy brain through the automatic segmentation of the major white matter bundles, providing an appropriate anatomical reference for the white matter to study individually the quantitative parameters along each fascicle, characterizing its microstructure organization. Emphasis was placed on the construction of the first atlas of the T1/T2 profiles along the major white matter pathways. The profiles of the T1 and T2 relaxation times were then correlated to the quantitative profiles computed from the diffusion MRI data (fractional anisotropy, radial and longitudinal diffusivities, apparent diffusion coefficient), in order to better understand their relations and to explain the observed variability along the fascicles and the interhemispheric asymmetries. The second part was focused on the brain tissue modeling at the cell scale to extract the quantitative parameters characterizing the geometry of the cellular membranes, such as the axonal diameter and the axonal density. A diffusion MRI sequence was developed on the 3 Teslas and 7 Teslas Siemens clinical systems of NeuroSpin which is able to apply any kind of gradient waveforms to fall within an approach where the gradient waveform results from an optimization under the hypothesis of a geometrical tissue model, hardware and time constraints induced by clinical applications. This sequence was applied in the study of fourteen healthy subjects in order to build the first quantitative atlas of the axonal diameter and the local axonal density at 7T. We also proposed a new geometrical model to model the axon, dividing the axonal compartment, usually modelled using a simple cylinder, into two compartments: one being near the membranes with low diffusivity and one farer from the membranes, less restricted and with higher diffusivity. We conducted a theoretical study showing that under clinical conditions, this new model allows, in part, to overcome the bias induced by the simple cylindrical model leading to a systematic overestimation of the smallest diameters. Finally, in the aim of going further in the physiopathology of the autism, we added to the current 3T imaging protocol the dMRI sequence developed in the framework of this thesis in order to map the axonal diameter and density. This study is ongoing and should validate shortly the contribution of these new quantitative measures of the microstructure in the comprehension of the atrophies of the corpus callosum, initially observed using less specific diffusion parameters such as the generalized fractional anisotropy. There will be other clinical applications in the future.

Le ligand PCTA[12], un macrocycle à 12 chaînons intégrant dans sa structure un noyau pyridine intracyclique et trois groupements aminoacide acétique, constitue une alternative intéressante aux ligands traditionnels tels que le DTPA, le NOTA ou le DOTA pour des applications en imagerie biomédicale. Sa potentialité à agir comme agent de contraste pour l'IRM a déjà été reportée, et certains de ses dérivés ont été évalués avec succès pour l'imagerie optique ou nucléaire. En raison de ces résultats encourageants, la synthèse de familles de dérivés du ligand PCTA[12] a été entreprise en vue de l'amélioration des propriétés des différents complexes Ln(III) (Ln = Eu, Gd, Tb) qui leurs sont issus. Dans un premier temps, la synthèse multi-étape du PCTA[12] a été reconsidérée et a permis d'atteindre un rendement global de 64% en ligand contre un rendement maximum de 36% pour les méthodologies classiques. La stratégie développée a, par la suite, été employée à la synthèse de ligands à fonctions mixtes acétate/amide ou acétate/phosphinate, mais également de ligands bifonctionnels chélatants porteurs de fonctions hydroxyle, ester, acide carboxylique, hydroxyméthyle ou amine. L'introduction de groupements chromophores de type carbostyrile et benzimidazole en position para de la pyridine a pu être réalisée et une amélioration des propriétés photophysiques a été observée dans le cas du complexe d'europium à motif benzimidazole ((λex = 322 nm et Փ = 9,2%). La dernière modification a consisté en la substitution du noyau pyridine du ligand PCTA[12] par un noyau phénol. La synthèse du composé désiré conduit à la formation conjointe du dimère correspondant. Une amélioration conséquente des propriétés relaxométriques (r1 = 5,7 s-1.mM-1 et τM = 3,1 ns) et fluorescentes (Փ = 22%) des complexes Gd(III) et Tb(III) de la forme monomère a été mise en évidence. Le complexe de terbium du macrocycle dimère analogue a, quant à lui, permis l'obtention d'un excellent rendement quantique de fluorescence de 43% en milieu aqueux. / The PCTA[12] ligand is a 12-membered macrocycle containing an intracyclic pyridine ring and three amino acid acetic groups in its structure, and is an interesting alternative to traditional ligands such as DTPA, NOTA or DOTA for biomedical imaging applications. Its potential to act as a contrast agent for MRI has already been reported, and some of its derivatives have been successfully evaluated for optical or nuclear imaging. Because of these encouraging results, the synthesis of families of derivatives of the PCTA[12] ligand has been undertaken in order to improve the properties of their derived Ln (III) complexes (Ln = Eu, Gd, Tb). At first, the multi-step synthesis of PCTA[12] was reconsidered and able to reach an overall yield of 64% ligand against a maximum yield of 36% for conventional methodologies. The strategy developed was subsequently used to synthesize acetate/amide or acetate/phosphinate mixed-function ligands, but also chelating bifunctional ligands bearing hydroxyl, ester, carboxylic acid, hydroxymethyl or amine functions. The introduction of carbostyril or benzimidazole chromophores at the para-position of the pyridine moiety has been carried out and an improvement in the photophysical properties was observed in the case of the benzimidazole europium complex ((λex = 322 nm and Փ = 9.2%). The last modification consisted in the substitution of the pyridine moiety of the PCTA[12] ligand by a phenol core. The synthesis of the desired compound leads to the formation of the corresponding dimer. A consequent improvement of the relaxometric (r1 = 5.7 s-1.mM-1 and τM = 3.1 ns) and fluorescence (Փ = 22%) properties of the Gd(III) and Tb(III) complexes of the monomeric form has been demonstrated. The terbium complex of the dimeric macrocycle has, for its part, made it possible to obtain an excellent fluorescence quantum yield of 43% in aqueous medium.

Afin d'accéder à des agents de contraste efficaces, il est essentiel d'optimiser simultanément les paramètres moléculaires influençant la relaxivité : nombre de molécules d'eau en première sphère de coordination, échange de l'eau, dynamique de rotation du complexe, relaxation électronique, distance Gd(III)-proton. Le but de ce travail est double. D'une part, il s'agit de concevoir et étudier des complexes possédant un nombre élevé de molécules d'eau coordinées et de comprendre l'influence de la sphère de coordination du métal sur la stabilité des complexes et la relaxation électronique. D'autre part, nous avons utilisé les ligands comme chromophores pour la mise au point de sondes luminescentes pour l'imagerie biomédicale.<br />Nous présentons la structure, la stabilité et la relaxivité de complexes de Gd(III) de deux séries de ligands tripodes dérivés du picolinate basés, soit sur le cycle 1,4,7-triazacyclononane, soit sur un pivot amine tertiaire. Ces complexes possèdent une relaxivité élevée dans l'eau et dans le sérum et peuvent former des interactions non-covalentes avec l'albumine sérique. L'interprétation de la relaxivité des protons de l'eau au moyen de nouvelles méthodes relaxométriques basées sur l'utilisation de solutés sondes nous a permis de montrer que la présence de groupement picolinate et du cycle 1,4,7-triazacyclononane pouvait conduire à des complexes de Gd(III) possédant des propriétés de relaxation électronique favorables.<br />Du fait de la présence de chromophores picolinate, les complexes d'Eu(III) et Tb(III) avec ces ligands donnent lieu à une luminescence intense dans le visible. D'autres complexes dérivés de l'unité 8 hydroxyquinoléine possèdent une luminescence élevée dans l'infrarouge et ont également été étudiés.

Un des objectifs majeurs de la neuroimagerie moderne est l'identification de nouveaux marqueurs qui puissent aider au diagnostic et au suivi des pathologies neurologiques. L'imagerie par résonnance magnétique multimodale (IRMm) est une approche permettant l'évaluation de plusieurs biomarqueurs complémentaires au cours d'un seul examen d'IRM. Cette approche a montré son efficacité dans de nombreuses études récentes et notamment dans la maladie de Parkinson. A l'approche IRMm précédemment utilisée, nous avons introduit un nouveau biomarqueur i.e. les changements de forme des structures sous-corticales à partir d'images pondérées en T1. Ce dernier marqueur vient enrichir l'approche IRMm composée de la quantification de : (i) la volumétrie à partir d'images pondérées en T1 (ii) de l'intégrité et l'orientation microstructurales à partir des images pondérées en diffusion et (iii) des dépôts de métaux à partir de la relaxométrie T2*. Nous avons appliqué l'approche IRM multimodale à une autre maladie neurodégénérative, la maladie d'Alzheimer à un stade précoce. Les résultats de cette étude préliminaire nous ont permis de suggérer la présence de processus physiopathologiques différents à la phase prodromique de la maladie d'Alzheimer. En effet nous avons observé pour l'hippocampe et l'amygdale une atrophie avec modification de l'intégrité microstructurale alors que seule une atrophie a été observée pour le thalamus et le putamen. Ces résultats nous ont aussi permis de confirmer l'importance d'une approche multimodale pour les études portant sur les maladies neurodégénératives. Parmi les marqueurs de l'IRMm, la quantification du fer intracérébral par relaxométrie T2* est une des méthodes qui a été développé ces dernières années à l'unité Inserm U825. Le dérèglement du métabolisme du fer et son accumulation sont en effet impliqués dans la physiopathologie de nombreuses maladies neurodégénératives telles que la maladie de Parkinson. L'expérience acquise à travers les différentes validations cliniques de cette méthode ces dernières années nous a conduit à améliorer cette dernière. Nous avons dirigé nos travaux sur l'amélioration de la méthode de relaxométrie R2* en optimisant l'acquisition d'une part et le traitement des images d'autre part. Nous avons donc comparé différentes résolutions, antennes, facteurs d'accélération, et nombres d'acquisitions par temps d'écho afin de déterminer les paramètres permettant d'obtenir le plus haut rapport signal sur bruit. Pour la partie traitement des images nous avons comparé la méthode utilisée comme référence, la méthode des moindres carrés par algorithme de Levenberg-Marquardt, à une autre méthode, la décomposition en valeur singulière pour estimer avec le plus de justesse le taux relaxation R2*. Nous avons ainsi pu mettre au point une séquence de relaxométrie T2* optimisée que nous avons comparé à celle utilisée lors de la première étude, dans le modèle du vieillissement physiologique. Au final en plus de permettre la discrimination entre sujets âgés et jeunes, les résultats obtenus avec cette nouvelle séquence se sont révélés être beaucoup moins sensibles au bruit. / One of the main goals of modern neuroimaging is the identification of new markers that can help in the diagnosis and monitoring of neurological pathologies. Multimodal magnetic resonance imaging (MRIm), is an approach allowing the evaluation of several complementary biomarkers within one MRI. This approach has already demonstrated its efficiency in several recent studies, and in particular in Parkinson's disease. We added a new biomarker to the MRIm approach previously used i.e. shape changes of subcortical structures based on T1 images. This marker is now a part of our MRIm approach along with: (i) volumetry from T1 images, (ii) microstructural integrity and orientation from diffusion images and (iii) metal deposits from T2* relaxometry. We applied this multimodal MRI approach to an other neurodegenerative disease, the Alzheimer's disease at a prodromal stage. Results of this preliminary study gave us the opportunity to suggest the existence of two different physiopathological processes at the prodromal phase of the Alzheimer's disease. In fact we observed atrophy with modification of the microstructural integrity for the hippocampus and the amygdala, while only atrophy has been observed for the thalamus and the putamen. Those results also confirmed the necessity of studying neurodegenerative diseases in a multimodal way. Among MRIm markers, the T2* relaxometry for the quantification of intracerebral iron is one of the methods which has been developed lately at the Inserm U825. Dysregulation of iron metabolism and its accumulation are involved in the physiopathology of several neurodegenerative diseases like Parkinson's disease. The experience gained through the different clinical validation of this method in recent years has led us to improve it. Our work was to improve T2* relaxometry by optimizing the acquisition of the images on one hand, and the processing of the images on the other hand. We compared several resolutions, acquisition antennas, number of acquisition by echo time, to determine which parameters gave the higher signal to noise ratio. For the part about the process of the images, we compared the method used as a reference, the least square method using a Levenberg-Marquard algorithm, to an other method, the singular value decomposition to obtain the best estimation of the relaxation rate R2*. Then we were able to develop an optimized T2* relaxometry sequence, which we compared to the one used in the first study, but in the physiological ageing model. Finally in addition to allowing discrimination between elderly and young people, the results obtained with this new sequence were found to be much less sensitive to noise.

L'interprétation des expériences de relaxométrie RMN nécessite une modélisation précise des interactions entre le noyau étudié et son environnement. Pour un noyau quadrupolaire, l'interaction entre le gradient du champ électrique (EFG) émis par l'environnement avec le quadruple électrostatique du noyau est prépondérante. Notre travail a porté sur le développement du calcul des temps de relaxation RMN pour ces noyaux par simulation moléculaire. Nous nous sommes intéressés à la relaxation d'ions mono-atomiques en phase condensée à travers deux systèmes simples et réalistes : des solutions aqueuses d'électrolytes et des verres de silicate de sodium. L'EFG dé aux électrons de l'ion est obtenu en calculant la réponse du nuage électronique grâce à des calculs quantiques combinés à une récente méthode pour reconstruire la contribution des électrons de cœur. L'EFG dû à l'environnement est obtenu à partir d'une simulation moléculaire où les interactions sont décrites par un champ de force polarisable nouvellement développé. Les temps de relaxation obtenus en combinant ces deux contributions reproduisent correctement les résultats expérimentaux. Les simulations moléculaires nous permettent aussi d'extraire les mécanismes microscopiques. Pour les ions dans l'eau à dilution infinie, nous avons étudié les propriétés statistiques et dynamiques des fluctuations de l'EFG. Nous avons montré en particulier le rôle fondamental des fluctuations de densité de l'eau dans la première sphère de solvatation de l'ion. Cette thèse ouvre la voie à une meilleur compréhension des processus de relaxation RMN des ions mono-atomiques quadrupolaires dans des systèmes simples ou complexes. / Interpreting NMR relaxometry experiments requires an accurate modeling of interactions between the nucleus under study and its environment. For a quadrupolar nucleus, the interaction between the electric field gradient (EFG) arising from the environment and the electrostatic quadrupole of the nucleus is preponderant. The present work deals with a new method to compute NMR relaxation times for such nuclei with molecular simulations. We consider the relaxation of monoatomic ions in condensed matter through two simple and realistic systems: aqueous electrolytes and sodosilicate glasses. The EFG due to electrons around the ion is obtained by computing the electronic response with quantum calculation combined with a new method to obtain the contribution of core electrons. The EFG due to the environment is obtained from a molecular simulation where interactions are described using a recently developed polarisable force field. NMR relaxation times obtained by combining both these contributions compare well with experimental data. Molecular simulations allow us to highlight the microscopic mechanisms. For ions in water at infinite dilution, we studied the statistical and dynamical properties of EFG fluctuations. We notably demonstrated the primary role of water density fluctuations in the first solvation shell around the ion. This thesis opens the way for a better understanding of the mechanism behind the NMR relaxation of monoatomic and quadrupolar ions in simple and complex systems.

Les voies colloïdales de préparation de catalyseurs hétérogènes offrent des perspectives prometteuses dans le domaine du raffinage et de la pétrochimie.<br />Leur caractérisation dynamique reste pourtant insuffisante pour pouvoir décrire complètement les phénomènes physico-chimiques contrôlant l'état final du catalyseur.<br /><br />La relaxométrie RMN des systèmes hétérogènes possède une résolution temporelle suffisante pour le suivi de ce type de synthèse. Elle permet<br />d'accéder à l'avancement de la<br />réaction et de caractériser la formation des agrégats, leur synérèse et leur structure fractale.<br /><br />Avant l'application de cette technique au suivi de synthèses de nanoparticules d'oxyde de palladium,<br />des aspects fondamentaux nécessaires à son développement ont été abordés, comme l'étude de<br />la couche de solvatation liée en surface.<br />Ceci permet d'élargir le champ d'application de cette technique à tout système colloïdal d'oxyde :<br />allant des poudres aux sols en passant par les agrégats.

La fonction des protéines est intimement liée à leur structure et à leur dynamique. La Résonance Magnétique Nucléaire est une technique de choix permettant d'étudier ces deux aspects à une résolution atomique. La relaxation du spin des noyaux d'azote-15 permet de quantifier ces mouvements aux échelles de temps pico- nanosecondes grâce à la determination de la fonction de densité spectrale, décrivant les mouvements du vecteur NH amide. Il est essentiel de mesurer les vitesses de relaxation à des champs magnétiques faibles pour mieux décrire les mouvements nanoseconde. De telles mesures sont possibles grâce à la relaxométrie haute-résolution et ont été réalisées sur l'ubiquitine. Celles-ci ont permis la caractérisation de mouvements nanoseconde dans les parties flexibles de l'ubiquitine. L'interprétation des données de relaxation pour des protéines désordonnées requiert le développement de modèles spécifiques à ces protéines. Nous avons développé une approche, appelée IMPACT, permettant une reconstruction mathématique de la fonction de densité spectrale. Appliquée au facteur de transcription Engrailed 2, cette approche a permis d'accéder à la distribution d'échelles de temps ps-ns à partir de données de relaxation à haut champ. Cette approche, combinée à des mesures de relaxométrie sur la région C-terminale de la protéine Artemis, devrait permettre d'obtenir une représentation fidèle et précise de la dynamique d'une protéine désordonnée. De plus, nous avons étudié la cinétique et la thermodynamique de l'interaction entre Artemis et la Ligase IV. Nos travaux ont permis de développer de nouvelles approches pour l'analyse de larges ensembles de données de relaxation. / The intimate relation between the structure, dynamics and function of biomolecules is widely recognized. NMR is a unique technique to extract information on both structure and dynamics at atomic resolutions. Measurements of nitrogen-15 nuclear spin relaxation allow a quantitative description of motions on pico-nanosecond timescales through the characterization of the spectral density function (SDF), which describes the motions of amide bonds in proteins. The SDF has to be sampled at low magnetic fields, inappropriate for protein NMR, in order to obtain a better description of motions. Such measurements are possible by the use of high-resolution relaxometry. Such measurements on Ubiquitin highlight the sub- and low-nanosecond motions in flexible regions. The classical models for the interpretation of relaxation data in proteins are not well suited for intrinsically disordered proteins (IDPs) and require the development of new approaches. We developed a new approach, called IMPACT, based on a mathematical reconstruction of the distribution of correlation times from the experimental SDF. We have applied IMPACT to the transcription factor Engrailed 2. Our method allowed an unprecedented description of the distribution of pico- to nanosecond motions in IDPs. The IMPACT approach will be combined with high-resolution relaxometry measurements on the C-terminal region of the protein Artemis to provide information on an IDP. In addition, we have described the kinetics and thermodynamics of the interaction of Artemis with the DNA Binding Domain of Ligase IV.Overall, this work contributes to the development of new concepts for the interpretation of extensive nuclear spin relaxation data in proteins.

Cette thèse traite de la RMN en phase liquide à champs multiples, pour la détermination de la structure et de la dynamique de petites molécules et de protéines. La dynamique ps-ns des chaînes latérales de la protéine ubiquitine a été étudiée par la relaxation du 13C des groupes méthyles δ1 des isoleucines, marqués sélectivement. Les vitesses de relaxation mesurées à plusieurs hauts champs magnétiques et les vitesses de relaxation longitudinale de 0.29 T à 9 T obtenues par relaxométrie haute résolution ont été analysées à l'aide du programme ICARUS, adapté à l’occasion pour les groupes méthyle. La matrice de relaxation a été calculée par un programme inédit, nommé RedKite. Un modèle de fonction de densité spectrale a été proposé pour prendre en compte les mouvements complexes des groupes méthyles. Nous avons ainsi pu accéder à une description de la dynamique des groupes méthyle sur trois ordres de grandeur d’échelles de temps. La spectroscopie RMN à deux champs magnétiques a été développée en collaboration avec Bruker. Le spectromètre à deux champs permet le contrôle des spins dans deux centres magnétiques avec une homogénéité suffisante et le transfert rapide de l’échantillon entre ces deux centres. Grâce à l'utilisation de cohérences à zéro-quantum, nous avons mesuré des spectres de corrélation homo- et hétéronucléaires à haute résolution dans lesquels les deux dimensions sont obtenues à deux champs très différents. Cette approche a été utilisée pour réduire considérablement la contribution de l’échange chimique à la relaxation transverse, permettant l’observation des signaux de noyaux en échange chimique invisibles à haut champ. / We present the development of multiple-field liquid-state NMR spectroscopy for the determination of the structure and dynamics of small molecules and proteins. Dynamics of proteins side-chains in the pico- to nanosecond range have been studied in the protein ubiquitin, by measuring the relaxation of carbon-13 nuclei in isoleucine-δ1 methyl groups, with site-specific isotope labelling. High-field relaxation rates and longitudinal relaxation rates obtained using high-resolution relaxometry have been analysed using a new version of the program ICARUS, adapted for methyl groups. The relaxation matrix has been calculated with a homemade program called RedKite. Models of spectral density function have been proposed to account for all motions of methyl groups. This unprecedented dataset allows for the description of motions in methyl groups over 3 orders of magnitudes of correlation times. Two-field NMR has been developed in collaboration with Bruker. The two-field NMR spectrometer allows for the control of nuclear spins in two magnetic centres with vastly different magnetic fields, coupled with a sample shuttle. Using zero-quantum coherences, homo and heteronuclear two-field high-resolution spectra have been obtained, where the two dimensions are acquired at very different magnetic fields. Such pulse sequences have been used to reduce the contribution of chemical exchange to transverse relaxation, even when this exchange makes signals invisible at high field. The reduced bandwidth of signals at low field has also been used to perform efficient isotropic mixing in a two-field TOCSY experiment. Correlations have been observed for carbon-13 signals separated by more than 150 ppm.