L'acquisition de l'électrocardiogramme (ECG) est recommandée lors d'examens d'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) pour le monitorage des patients et la synchronisation de l'acquisition IRM avec l'activité cardiaque. L'environnement IRM, de par ses trois composantes physiques caractéristiques, perturbe les signaux ECG. Les gradients de champ magnétique compliquent notamment grandement l'analyse de l'ECG de manière non conventionnelle. Le développement de traitements spécifiques est donc nécessaire, les méthodes existantes de détection QRS et de débruitage ne répondant pas de manière satisfaisante à ce problème. Une base de données ECG en IRM a été réalisée, afin de permettre le développement de nouvelles méthodes et leur évaluation selon deux critères : la qualité de détection des battements cardiaques et une estimation du rapport signal sur bruit spécifique à ces enregistrements. Un détecteur QRS capable de traiter ces signaux fortement bruités a été proposé. Cette technique est basée sur la détection et la caractérisation des singularités à partir des lignes de maxima d'ondelettes. Ce détecteur apporte une information sur le rythme cardiaque, primordiale pour la mise en place de nouvelles approches statistiques. Une méthode de débruitage basée sur l'analyse en composantes indépendantes a été présentée. Celle-ci utilise uniquement les signaux ECG. Une approche bayésienne de débruitage, reposant sur une unification de deux modèles (d'ECG et des artefacts de gradient), a été proposée. Enfin, l'approche bayésienne a également été suggérée pour prédire le rythme cardiaque, afin d'améliorer la stratégie de synchronisation. / Electrocardiogram (ECG) is required during Magnetic Resonance Imaging (MRI), for patient monitoring and for the synchronization of MRI acquisitions and heart activity. The MRI environment, due to its three characteristic physic components, highly disturbs ECG signals. For instance, the magnetic field gradients strongly complicate the ECG analysis in a non conventional manner. The development of specific signal processing tools is thus required. Existing methods, whether QRS detector or denoising techniques, do not accurately process these signals. A database of ECG acquired in MRI has been built, enabling the development of new processing techniques and their evaluation by using the folllowing two criteria : the cardiac beat detection quality and the signal to noise ratio estimated specifically on these particular recordings. A QRS detector, processing the noisy ECG signals, has been proposed. This technique is based on the singularity detection and characterisation provided by the wavelet modulus maximum lines. This detector provides helpful information on cardiac rhythm, for the development of novel techniques with a statistical approach. A new denoising method based on independent component analysis has been presented. This technique takes only advantage of the ECG signals. Two Bayesian based denoising methods, unifying two models (of ECG and gradient artifacts) in one state-space formulation have been proposed. Bayesian filtering has also been suggested for cardiac rhythm prediction, in order to improve the synchronization strategy.

Ce mémoire concerne la construction et l'analyse d'estimateurs robustes pour le calcul numérique des dérivés de signaux bruités et des paramètres de signaux sinusoïdaux bruités. Dans la première partie, nous étudions des familles d'estimateurs de dérivées obtenus par des méthodes algébriques. Nous montrons que pour une classe d'entre eux, il est possible de les formuler directement en tronquant une série orthogonale de polynômes de Jacobi. Cette considération nous permet alors d'étendre à IR le domaine de définition des paramètres de ces estimateurs. Nous analysons ensuite l'influence de ces paramètres étendus sur l'erreur de troncature, qui produit un retard d'estimation dans le cas causal, puis sur l'erreur due aux bruits, considérés comme des processus stochastiques, et enfin sur l'erreur numérique de discrétisation des intégrales. Ainsi, nous montrons comment réduire le retard d'estimation et l'effet du aux bruits. Une validation de cette approche est réalisée par la construction d'un observateur non asymptotique de variables d'état d'un système non linéaire. Dans la deuxième partie, nous construisons par l'approche algébrique des estimateurs des paramètres d'un signal sinusoïdal bruité dont l'amplitude varie avec le temps. Nous montrons que les méthodes classiques de fonctions modulatrices sont un cas particulier de cette approche. Nous étudions ensuite l'influence des paramètres algébriques sur l'erreur d'estimation due au bruit et l'erreur numérique d'intégration. Finalement, une comparaison entre ces estimateurs et la méthode classique de détection synchrone est réalisée pour démontrer l'efficacité de notre approche sur ce type de signaux. / This thesis concerns the construction and analysis of robust estimators for the numerical calculations of the derivatives of noisy signals and the parameters of noisy sinusoidal signals. In the first part of this thesis, we study some families of derivative estimators obtained by the algebraic methods. We show that a class of them can be directly obtained by truncating the Jacobi orthogonal series. This consideration allows us to extend the set of the parameters defining these estimators to IR. Then, we analyze the influence of these extended parameters on the truncation error which produces a time-delay estimation in causal case, on the error due to noises considered as stochastic processes, and finally on the error due to numerical integration methods. Thus, we show how to reduce the time-delay and the noise effect. A validation of this approach is achieved by constructing a non-asymptotic observer of the state variables of a nonlinear system. In the second part of this thesis, by using the algebraic method we construct estimators of the parameters of a noisy sinusoidal signal the amplitude of which varies with time. Moreover, we show that the modulating functions method has a link to the algebraic method. We then study the influence of parameters defining the estimators on the noise error contribution and the numerical integration error. In particular, some error bounds of these errors are given for a class of parameter estimators. Finally, a comparison between these estimators and the classical synchronous detection method is performed so as to demonstrate the effectiveness of our approach on such signals.

Summary : Macropinocytosis refers to the formation of large primary endocytic vesicles of irregular size and shape, generated by actin-driven evaginations of the plasma membrane, whereby cells avidly incorporate extracellular solutes. Macropinosomes resemble "empty" phagosomes and show no difference with the "spacious phagosomes" triggered by the enteropathogenic bacteria Salmonella and Shigella. Macropinosomes are formed at the leading edge and appear tightly regulated. They may fuse with lysosomes or regurgitate their content back to the extracellular space. Transformation of fibroblasts by Src or Ras results into the constitutive formation of macropinosomes at "ruffling" zones. My thesis adresses the dynamic of the constitutive macropinocytosis and its potential regulators. The first part of the thesis deals with the fate of macropinosomes. We found that, in v-Src transformed fibroblasts, macropinosomes do not fuse with transferrin-containing endosomes and investigated the effects of cyclic AMP as a regulator of macropinocytosis in this cell system. The permeant analogs dibutyryl cyclic AMP and 8-bromo-cyclic AMP, as well as the pharmacological activator of adenylate cyclase, forskolin, similarly decreased by about 35% the net endocytic accumulation of the fluid-phase tracer, horseradish peroxidase, in v-Src-transformed cells but not in the non-transformed parental Rat-1 cell line. However, and in contrast to the phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K) inhibitors and phosphatidylinositol-specific phospholipase C (PI-PLC), dibutyryl cyclic AMP neither returned the peroxidase accumulation rate of v-Src-transformed cells to that of parental Rat-1/control cells, nor prevented macropinosome formation, as shown by confocal microscopy. Detailed analysis of the kinetics of peroxidase entry and efflux in transformed cells revealed that dibutyryl cyclic AMP inhibited its accumulation only after intervals >5 minutes, due to accelerated regurgitation, but did not alter the rate of transferrin recycling. Taken together, these data indicate that, in v-Src-transformed fibroblasts, macropinocytosis and micropinocytosis serve different pathways and that cyclic AMP affects neither micropinocytosis nor the formation of macropinosomes, but selectively promotes regurgitation therefrom. The second part of my thesis deals with the regulation of macropinocytosis. Both transformation of Rat-1 fibroblasts by v-Src or K-Ras and stable transfection with an expression vector for wild-type PI3K regulatory subunit p85a, acting as dominant-positive PI3K, constitutively lead to stress fibers disruption, cortical actin recruitment, extensive ruffling and macropinosome formation, as measured by a selective acceleration of fluid-phase endocytosis. These alterations closely correlated with activation of PI3K and PI-PLC, as assayed by 3-phosphoinositides synthesis in situ and in vitro and IP3 steady state levels, respectively, and were abolished by stable transfection of Src-transformed cells with an expression vector for truncated p85a, acting as dominant-negative PI3K, as well as by pharmacological inhibitors of PI3K and PI-PLC, indicating requirement for both enzymes. These inhibitors strongly decreased the population of cells showing active membrane ruffling and did not detectably affect receptor-mediated endocytosis of transferrin. Interestingly, the effect of Src and dominant-positive p85a transfection on the actin cytoskeleton could be reversed within 30-60 min by the pharmacological inhibitor of PI3K, wortmannin. Whereas PI3K activation resisted PI-PLC inhibition by NCDC, PI-PLC activation was abolished by the PI3K inhibitor wortmannin and upon dominant-negative PI3K transfection, thus placing PI-PLC downstream of PI3K. Taken together, these data suggest that permanent sequential activation of both PI3K and PI-PLC is necessary for the dramatic reorganization of actin cytoskeleton in oncogene-transformed fibroblasts resulting into constitutive ruffling and macropinocytosis.Résumé : La macropinocytose désigne la formation de grandes vésicules endocytaires primaires de taille et de forme irrégulière, produites par évagination de la membrane péricellulaire, qui permet l'accumulation accélérée de solutés extracellulaires. Il existe une forte similitude entre les macropinosomes et les "phagosomes spacieux" induits par des bactéries entéropathogènes telles que Salmonella et Shigella. Les macropinosomes de forment préférentiellement au front de migration et peuvent fusionner avec les lysosomes ou recycler leur contenu vers le milieu extracellulaire (régurgitation). La transformation de fibroblastes Rat-1 par les oncogènes v-Src ou K-Ras induit la formation constitutive de macropinosomes au niveau des zones du "ruffling". Notre travail s'est intéressé à la dynamique de cette macropinocytose constitutive et à ses régulateurs potentiels. La première partie de ma thèse concerne le sort des macropinosomes dans les fibroblastes transformés par v-Src. Ceux-ci ne fusionnent pas avec les endosomes contenant la transferrine. Pour tester l'effet de l'AMP-cyclique sur cette macropinocytose, nous avons utilisé deux analogues perméants de l'AMPc, le dibutyryl AMP-cylique et le 8-bromo-AMP-cyclique, ainsi qu'un activateur de l'adénylate cyclase, la forskoline. Ces trois agents ralentissent d'environ 35% la vitesse de l'accumulation nette d'un traceur de l'endocytose fluide, la peroxydase de raifort, dans les cellules transformées par v-Src, mais n'ont pas d'effet dans la lignée parentale. Cependant, au contraire d'inhibiteurs de la phospho-inositide 3-kinase (PI3K) ou d'inhibiteurs de la phospholipase C spécifique du phosphatidylinositol (PI-PLC), le dibutyryl AMP-cyclique ne ramène pas le taux d'accumulation de la peroxydase des fibroblastes transformés par v-Src au niveau des fibroblastes parentaux et n'empêche pas la formation de macropinosomes, visualisée en microscopie confocale. L'analyse détaillée de la cinétique d'accumulation de la peroxydase dans les cellules transformées a révélé que le dibutyryl AMP-cyclique ralentit l'accumulation de la peroxydase seulement après un temps supérieur à 5 minutes, en accélérant sa régurgitation, sans affecter le recyclage de la transferrine. Ces résultats montrent clairement que, dans les fibroblastes transformés par v-Src, la macropinocytose et la micropinocytose sont deux voies distinctes et que l'AMP-cyclique n'affecte ni la micropinocytose, ni la formation de macropinosomes, mais active sélectivement la régurgitation à partir de ceux-ci. La seconde partie de ma thèse s'intéresse à la régulation de la formation des macropinosomes. La transformation des fibroblastes Rat-1 par les oncogènes v-Src ou K-Ras ainsi que la transfection stable par un vecteur d'expression de la sous-unité régulatrice sauvage p85a, créant un ²dominant-positif² de la PI3K, provoquent la destruction des câbles de tension, le recrutement de l'actine corticale et la formation du ²ruffling² qui génère les macropinosomes, ce qui est reflété par l'accélération sélective de l'endocytose en phase fluide. Ces altérations corrèlent étroitement avec l'activation de la PI3K et de la PI-PLC, mesurées par la production des phospho-inositides D3 in situ et in vitro et par le niveau de l'IP3 respectivement, et sont abolies après transfection stable par un vecteur d'expression pour la sous-unité p85a tronquée, agissant comme ²dominant-négatif² de la PI3K, ou après traitement des cellules avec les inhibiteurs pharmacologiques de la PI3K et de la PI-PLC. Ceci démontre que ces deux enzymes sont nécessaires dans la signalisation de la macropinocytose constitutive. Ces inhibiteurs diminuent fortement le pourcentage des cellules montrant un ²ruffling² membranaire mais n'affectent pas l'endocytose de la transferrine. La réorganisation du cytosquelette d'actine dans les cellules transformées par v-Src ou dans le ²dominant-positif² de la PI3K est reversée après 30 à 60 minutes de traitement par un inhibiteur de la PI3K, la wortmannine. L'activité de la PI3K n'est pas modifiée par le traitement des cellules avec un inhibiteur de la PI-PLC. En revanche, l'activité de cette dernière est abolie par les inhibiteurs de la PI3K et chez le ²dominant-négatif² de la PI3K. Ceci permet de placer la PI-PLC en aval de PI3K dans la même voie de signalisation de la macropinocytose. En conclusion, une activation permanente et séquentielle de la PI3K et de la PI-PLC est nécessaire au remodelage du cytosquelette d'actine qui produit le ²ruffling² membranaire et la macropinocytose constitutive dans les fibroblastes transformés.

Summary : Macropinocytosis refers to the formation of large primary endocytic vesicles of irregular size and shape, generated by actin-driven evaginations of the plasma membrane, whereby cells avidly incorporate extracellular solutes. Macropinosomes resemble "empty" phagosomes and show no difference with the "spacious phagosomes" triggered by the enteropathogenic bacteria Salmonella and Shigella. Macropinosomes are formed at the leading edge and appear tightly regulated. They may fuse with lysosomes or regurgitate their content back to the extracellular space. Transformation of fibroblasts by Src or Ras results into the constitutive formation of macropinosomes at "ruffling" zones. My thesis adresses the dynamic of the constitutive macropinocytosis and its potential regulators. The first part of the thesis deals with the fate of macropinosomes. We found that, in v-Src transformed fibroblasts, macropinosomes do not fuse with transferrin-containing endosomes and investigated the effects of cyclic AMP as a regulator of macropinocytosis in this cell system. The permeant analogs dibutyryl cyclic AMP and 8-bromo-cyclic AMP, as well as the pharmacological activator of adenylate cyclase, forskolin, similarly decreased by about 35% the net endocytic accumulation of the fluid-phase tracer, horseradish peroxidase, in v-Src-transformed cells but not in the non-transformed parental Rat-1 cell line. However, and in contrast to the phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K) inhibitors and phosphatidylinositol-specific phospholipase C (PI-PLC), dibutyryl cyclic AMP neither returned the peroxidase accumulation rate of v-Src-transformed cells to that of parental Rat-1/control cells, nor prevented macropinosome formation, as shown by confocal microscopy. Detailed analysis of the kinetics of peroxidase entry and efflux in transformed cells revealed that dibutyryl cyclic AMP inhibited its accumulation only after intervals >5 minutes, due to accelerated regurgitation, but did not alter the rate of transferrin recycling. Taken together, these data indicate that, in v-Src-transformed fibroblasts, macropinocytosis and micropinocytosis serve different pathways and that cyclic AMP affects neither micropinocytosis nor the formation of macropinosomes, but selectively promotes regurgitation therefrom. The second part of my thesis deals with the regulation of macropinocytosis. Both transformation of Rat-1 fibroblasts by v-Src or K-Ras and stable transfection with an expression vector for wild-type PI3K regulatory subunit p85a, acting as dominant-positive PI3K, constitutively lead to stress fibers disruption, cortical actin recruitment, extensive ruffling and macropinosome formation, as measured by a selective acceleration of fluid-phase endocytosis. These alterations closely correlated with activation of PI3K and PI-PLC, as assayed by 3-phosphoinositides synthesis in situ and in vitro and IP3 steady state levels, respectively, and were abolished by stable transfection of Src-transformed cells with an expression vector for truncated p85a, acting as dominant-negative PI3K, as well as by pharmacological inhibitors of PI3K and PI-PLC, indicating requirement for both enzymes. These inhibitors strongly decreased the population of cells showing active membrane ruffling and did not detectably affect receptor-mediated endocytosis of transferrin. Interestingly, the effect of Src and dominant-positive p85a transfection on the actin cytoskeleton could be reversed within 30-60 min by the pharmacological inhibitor of PI3K, wortmannin. Whereas PI3K activation resisted PI-PLC inhibition by NCDC, PI-PLC activation was abolished by the PI3K inhibitor wortmannin and upon dominant-negative PI3K transfection, thus placing PI-PLC downstream of PI3K. Taken together, these data suggest that permanent sequential activation of both PI3K and PI-PLC is necessary for the dramatic reorganization of actin cytoskeleton in oncogene-transformed fibroblasts resulting into constitutive ruffling and macropinocytosis.Résumé : La macropinocytose désigne la formation de grandes vésicules endocytaires primaires de taille et de forme irrégulière, produites par évagination de la membrane péricellulaire, qui permet l'accumulation accélérée de solutés extracellulaires. Il existe une forte similitude entre les macropinosomes et les "phagosomes spacieux" induits par des bactéries entéropathogènes telles que Salmonella et Shigella. Les macropinosomes de forment préférentiellement au front de migration et peuvent fusionner avec les lysosomes ou recycler leur contenu vers le milieu extracellulaire (régurgitation). La transformation de fibroblastes Rat-1 par les oncogènes v-Src ou K-Ras induit la formation constitutive de macropinosomes au niveau des zones du "ruffling". Notre travail s'est intéressé à la dynamique de cette macropinocytose constitutive et à ses régulateurs potentiels. La première partie de ma thèse concerne le sort des macropinosomes dans les fibroblastes transformés par v-Src. Ceux-ci ne fusionnent pas avec les endosomes contenant la transferrine. Pour tester l'effet de l'AMP-cyclique sur cette macropinocytose, nous avons utilisé deux analogues perméants de l'AMPc, le dibutyryl AMP-cylique et le 8-bromo-AMP-cyclique, ainsi qu'un activateur de l'adénylate cyclase, la forskoline. Ces trois agents ralentissent d'environ 35% la vitesse de l'accumulation nette d'un traceur de l'endocytose fluide, la peroxydase de raifort, dans les cellules transformées par v-Src, mais n'ont pas d'effet dans la lignée parentale. Cependant, au contraire d'inhibiteurs de la phospho-inositide 3-kinase (PI3K) ou d'inhibiteurs de la phospholipase C spécifique du phosphatidylinositol (PI-PLC), le dibutyryl AMP-cyclique ne ramène pas le taux d'accumulation de la peroxydase des fibroblastes transformés par v-Src au niveau des fibroblastes parentaux et n'empêche pas la formation de macropinosomes, visualisée en microscopie confocale. L'analyse détaillée de la cinétique d'accumulation de la peroxydase dans les cellules transformées a révélé que le dibutyryl AMP-cyclique ralentit l'accumulation de la peroxydase seulement après un temps supérieur à 5 minutes, en accélérant sa régurgitation, sans affecter le recyclage de la transferrine. Ces résultats montrent clairement que, dans les fibroblastes transformés par v-Src, la macropinocytose et la micropinocytose sont deux voies distinctes et que l'AMP-cyclique n'affecte ni la micropinocytose, ni la formation de macropinosomes, mais active sélectivement la régurgitation à partir de ceux-ci. La seconde partie de ma thèse s'intéresse à la régulation de la formation des macropinosomes. La transformation des fibroblastes Rat-1 par les oncogènes v-Src ou K-Ras ainsi que la transfection stable par un vecteur d'expression de la sous-unité régulatrice sauvage p85a, créant un ²dominant-positif² de la PI3K, provoquent la destruction des câbles de tension, le recrutement de l'actine corticale et la formation du ²ruffling² qui génère les macropinosomes, ce qui est reflété par l'accélération sélective de l'endocytose en phase fluide. Ces altérations corrèlent étroitement avec l'activation de la PI3K et de la PI-PLC, mesurées par la production des phospho-inositides D3 in situ et in vitro et par le niveau de l'IP3 respectivement, et sont abolies après transfection stable par un vecteur d'expression pour la sous-unité p85a tronquée, agissant comme ²dominant-négatif² de la PI3K, ou après traitement des cellules avec les inhibiteurs pharmacologiques de la PI3K et de la PI-PLC. Ceci démontre que ces deux enzymes sont nécessaires dans la signalisation de la macropinocytose constitutive. Ces inhibiteurs diminuent fortement le pourcentage des cellules montrant un ²ruffling² membranaire mais n'affectent pas l'endocytose de la transferrine. La réorganisation du cytosquelette d'actine dans les cellules transformées par v-Src ou dans le ²dominant-positif² de la PI3K est reversée après 30 à 60 minutes de traitement par un inhibiteur de la PI3K, la wortmannine. L'activité de la PI3K n'est pas modifiée par le traitement des cellules avec un inhibiteur de la PI-PLC. En revanche, l'activité de cette dernière est abolie par les inhibiteurs de la PI3K et chez le ²dominant-négatif² de la PI3K. Ceci permet de placer la PI-PLC en aval de PI3K dans la même voie de signalisation de la macropinocytose. En conclusion, une activation permanente et séquentielle de la PI3K et de la PI-PLC est nécessaire au remodelage du cytosquelette d'actine qui produit le ²ruffling² membranaire et la macropinocytose constitutive dans les fibroblastes transformés.

Ce mémoire comprend 7 chapitres où sont présentées les différentes contributions de l'auteur : 1. Introduction. 2. Sur la stabilité des filtres récursifs bidimensionnels (deux algorithmes et une étude comparative de la robustesse de différents algorithmes face aux erreurs d'arrondi) 3. Bancs de filtres adaptés, application au codage sans perte des images (généralisation de la structure en lifting scheme des bancs de filtres avec application à la compression sans perte des images). 4. Bancs de filtres hybrides et conversion analogique/numérique. 5. Analyse en composantes indépendantes (ACI) et compression de données (un nouveau point de vue, permettant de faire le lien entre l'ACI et la compression de données par transformées pour de faibles distorsions, est introduit ; il est basé sur le critère que doit minimiser une transformation optimale en codage par transformée – sans l'hypothèse de données gaussiennes – ; présentation de deux algorithmes de recherche de transformation optimale en codage à faibles distorsions. 6. ACI appliquée au codage des images multicomposantes (extension de l'étude précédente à des images multi- et hyper-spectrales, critère minimisé par une transformation spectrale optimale pour un schéma de compression compatible avec JPEG2000 Partie 2, présentation de deux algorithmes de recherche de transformation spectrale optimale – OST et OrthOST –) 7. Conclusion et perspectives. Il est complété par deux annexes, l'une rappelant des éléments de la théorie de l'information et de la quantification, l'autre présentant quelques publications de l'auteur.

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Le sujet des travaux de recherche présenté dans cette thèse de doctorat concerne la conception et le développement d’une approche basée sur le traitement du signal et des images permettant de mesurer des signaux physiologiques d’une personne située à distance du capteur. Les différents procédés proposés dans ce travail cherchent à répondre à des besoins particuliers du domaine de l’e-santé, de la télémédecine et de l’informatique affective. Les mesures sans contact de paramètres physiologiques sont utilisables dans de nombreux champs d’application, allant des services d’urgence jusqu’aux sciences du sport, où le rythme cardiaque est surveillé pendant un effort physique intense. L’approche développée est basée sur le calcul des signaux photopléthysmographiques (PPG) obtenus sur des visages humains et enregistrés par une webcam. Ces derniers sont ensuite analysés par une transformée en ondelettes continue afin d’en extraire le rythme cardiaque et la fréquence respiratoire ainsi que la variabilité cardiaque. Des opérations de traitement du signal et des images ont été développées pour améliorer la robustesse du système en le rendant moins sensible aux mouvements et aux fluctuations de l’éclairage. La fréquence respiratoire est estimée à partir de la variabilité cardiaque par le phénomène d’arythmie sinusale respiratoire, la variation naturelle de la fréquence cardiaque entrainée par la respiration. Les phénomènes de vasoconstriction et vasodilatation qui modifient les amplitudes du signal PPG sont aussi détectées par la méthode que nous proposons dans ces travaux de thèse. Les performances du système ont été évaluées à partir d’un ensemble de capteurs standards en contact sur 12 individus en bonne santé qui ont participé aux expériences. Les résultats montrent que les mesures dérivées de la webcam et des capteurs en contact sont en étroite concordance. Le second volet de ces travaux de recherche concerne la reconnaissance du stress basée sur les données physiologiques quantifiées précédemment. La webcam est ici utilisée pour mesurer et estimer l’état de tension mentale d’une personne. Les amplitudes du signal PPG et la variabilité de la fréquence cardiaque reflètent l’état du système nerveux autonome et ont été utilisées pour calculer une courbe de stress. L’activité électrodermale a concurremment été mesurée par un capteur en contact pour évaluer la méthode que nous proposons. Une application a spécifiquement été développée en laboratoire pour successivement induire du stress et relaxer les participants. Les résultats indiquent que les mesures calculées à partir des données de la webcam sont en étroite corrélation avec l’activité électrodermale. La méthode présentée dans ces travaux permet de mesurer un ensemble de données physiologiques et estimer l’état de stress d’une personne à l’aide d’une webcam, fournissant ainsi une bonne alternative aux dispositifs conventionnels en contact / Photoplethysmographic (PPG) signals obtained from a webcam are analyzed through a continuous wavelet transform to assess the instantaneous pulse rate. The measurements are performed on human faces. Robust image and signal processing are introduced to collect only pixels that contain photoplethysmographic information and to remove major artifacts and trends on raw webcam PPG signals. The interbeat intervals are computed using a standard peak detection to form the instantaneous pulse rate. In addition, the respiration is recovered using the pulse rate series by respiratory sinus arrhythmia, the natural variation in pulse rate driven by the respiration. The amplitudes of the photoplethysmographic signal, which reflect relative changes in the vascular bed due to peripheral vasoconstriction or vasodilatation, are also measured. The presented algorithms are implemented on a mid-range computer and the overall method works in real-time. The performance of the proposed pulse and breathing rates assessment method was evaluated using approved contact probes on a set of 12 healthy subjects. Results show high degrees of correlation between physiological measurements even in the presence of motion. This work provides a motion-tolerant method that remotely measures the instantaneous pulse and breathing rates. Monitoring physiological signals via non-contact means presents a greater challenge in personal health care, telemedicine and affective computing. The second part of this thesis consists in assessing mental workload changes using the parameters assessed previously, i.e. the photoplethysmographic amplitude fluctuation and the pulse rate variability. These particular signals provide an estimation of the autonomic nervous system state. In order to validate the proposed method we have recorded, concurrently to the webcam curves, electrodermal activity during an interactive game that was developed to successively stress and relax the subject. We have specifically employed a computerized and interactive version of the STROOP color word test. The results exhibit a strong correlation between the webcam and contact skin conductance level traces and offer further support for the applicability of mental stress detection by remote and low-cost means, providing an alternative to conventional contact techniques

Ce mémoire se place dans l'étude des modèles du calcul continus. Nous y montrons que la géométrie plane permet de calculer. Nous définissons un calcul géométrique et utilisons la continuité de l'espace et du temps pour stocker de l'information au point de provoquer des accumulations. Dans le monde des automates cellulaires, on parle souvent de particules ou de signaux (qui forment des lignes discrètes sur les diagrammes espace-temps) tant, pour analyser une dynamique que, pour concevoir des automates cellulaires particuliers. Le point de départ de nos travaux est d'envisager des versions continues de ces signaux. Nous définissons un modèle de calcul continu, les machines à signaux, qui engendre des figures géométriques suivant des règles strictes. Ce modèle peut se comprendre comme une extension continue des automates cellulaires. Le mémoire commence par une présentation des automates cellulaires et des particules. Nous faisons ensuite une classification des différents modèles de calcul existants et mettons en valeur leurs aspects discrets et continus. À notre connaissance, notre modèle est le seul à temps et espace continus mais à valeurs et mises à jour discrètes. Dans la première partie du mémoire, nous présentons ce modèle, les machines à signaux, et montrons comment y mener tout calcul au sens de Turing (par la simulation de tout automate à deux compteurs). Nous montrons comment modifier une machine de manière à réaliser des transformations géométriques (translations, homothéties) sur les diagrammes engendrés. Nous construisons également les itérations automatiques de ces constructions de manière à contracter le calcul à une bande (espace borné) puis, à un triangle (temps également borné). Dans la seconde partie du mémoire, nous cherchons à caractériser les points d'accumulation. Nous reformulons de manière topologique les diagrammes espace-temps: pour chaque position, la valeur doit correspondre au voisinage sur un ouvert suffisamment petit. Muni de cet outil, nous regardons les plus simples accumulations possibles (les singularités isolées) et proposons un critère pour y prolonger le calcul; mais le déterminisme peut être perdu dans le cône d'influence. Enfin, en construisant pour tout automate à deux compteurs une machine à signaux et une configuration initiale simulant l'automate pour toutes les valeurs possibles, nous montrons que le problème de la prévision de l'apparition d'une accumulation est Σ20-complet. Le mémoire se conclut par la présentation de nombreuses perspectives de recherches.

Les neurosciences computationnelles sont une grande source d'inspiration pour le traitement de données. De nos jours, aussi bon que soit l'état de l'art de la vision par ordinateur, il reste moins performant que les possibilités offertes par nos cerveaux ou ceux d'autres animaux ou insectes. Cette thèse se base sur cette observation afin de développer de nouvelles méthodes de calcul pour la vision par ordinateur ainsi que pour le calcul de manière générale reposant sur les données issues de capteurs événementiels tels que les "rétines artificielles". Ces capteurs copient la biologie et sont utilisés dans ces travaux pour le caractère épars de leurs données ainsi que pour leur précision temporelle : l'information est codée dans des événements qui sont générés avec une précision de l'ordre de la microseconde. Ce concept ouvre les portes d'un paradigme complètement nouveau pour la vision par ordinateur, reposant sur le temps plutôt que sur des images. Ces capteurs ont été utilisés pour développer des applications comme le suivi ou la reconnaissance d'objets ou encore de l'extraction de motifs élémentaires. Des plate-formes de calcul neuromorphiques ont aussi été utilisées pour implémenter plus efficacement ces algorithmes, nous conduisant à repenser l'idée même du calcul. Les travaux présentés dans cette thèse proposent une nouvelle façon de penser la vision par ordinateur via des capteurs événementiels ainsi qu'un nouveau paradigme pour le calcul. Le temps remplace la mémoire permettant ainsi des opérations complètement locales, ce qui permet de réaliser des machines hautement parallèles avec une architecture non-Von Neumann. / Computational Neurosciences are a great source of inspiration for data processing and computation. Nowadays, how great the state of the art of computer vision might be, it is still way less performant that what our brains or the ones from other animals or insects are capable of. This thesis takes on this observation to develop new computational methods for computer vision and generic computation relying on data produced by event-based sensors such as the so called “silicon retinas”. These sensors mimic biology and are used in this work because of the sparseness of their data and their precise timing: information is coded into events which are generated with a microsecond precision. This opens doors to a whole new paradigm for machine vision, relying on time instead of using images. We use these sensors to develop applications such as object tracking or recognition and feature extraction. We also used computational neuromorphic platforms to better implement these algorithms which led us to rethink the idea of computation itself. This work proposes new ways of thinking computer vision via event-based sensors and a new paradigm for computation. Time is replacing memory to allow for completely local operations, enabling highly parallel machines in a non-Von Neumann architecture.

Les canaux ioniques voltage-dépendants (CIVD) sont des protéines transmembranaires ubiquitaires impliquées dans la transmission de signaux électriques dans les cellules excitables. Lors de variations du potentiel transmembranaire, ces canaux subissent un changement conformationnel donnant lieu à leur ouverture, médié par des résidus basiques conservés appartenant au domaine sensible à la tension (DST). De nombreux détails de leur fonction ont été révélés par des années de mesures expérimentales mais des questions fondamentales sur leur dynamique à l'échelle moléculaire restent d'actualité. Partant de la structure cristallographique du canal potassique du rat Kv1.2 ouvert, nous avons mené des simulations de dynamique moléculaire du canal inséré dans son environnement lipidique soumis à un potentiel hyperpolarisant. Nous avons suivi la désactivation du DST et ainsi découvrir trois états intermédiaires entre les conformations ouverte et fermée. Les calculs de la charge liée à l'activation ou encore les contacts moléculaires sont en accord avec les résultats expérimentaux, et nous proposons un modèle de la désactivation complète qui réconcilie les modèles divergents. Utilisant ce modèle, nous avons caractérisé certains aspects de la modulation des CIVD: la mutation de résidus basiques spécifiques de S4 impliqués dans des maladies génétiques induit l'apparition de courants de fuite « oméga » en accord avec l'expérience et nous expliquons en partie la modification de la dépendance au voltage des CIVD lorsque les lipides avoisinants sont modifiés chimiquement. Nous concluons en étendant cette étude aux canaux humains de la famille des Kv7 qui sont d'importance physiologique. / Voltage gated ion channels (VGCs) are ubiquitous transmembrane (TM) proteins involved in electrical signaling in excitable cells. Their gating (opening-closing), triggered by changes in the TM voltage, proceeds through a sensing mechanism involving conserved positively charged residues belonging to the voltage sensor domain (VSD). Details on the function of such channels have been revealed thanks to decades of experimental investigations but questions concerning the molecular level function of these proteins still remain under active debate. Starting from the "open state" crystal structure of the rat potassium VGC Kv1.2, we have carried out large-scale all-atom molecular dynamics simulations of the channel embedded in its lipidic environment submitted to a hyperpolarized potential. This allowed to follow the deactivation of the VSD and to uncover three intermediate states between the open and closed conformations. We report gating charge calculations or else state dependent molecular contacts that comply with experimental results and propose accordingly a model of the entire deactivation that conciliates the diverging views proposed so far. Using this model, we further characterize at the molecular level the modulation mechanisms of VGCs: specific mutations of basic residues of the VSD involved in genetic diseases are shown to induce state-dependent "omega" leak currents, in agreement with electrophysiology and a partial conclusion is proposed to explain the alteration of VGC voltage-dependency when the lipids embedding them are chemically modified. We conclude by extending this study to human VGCs (Kv7 family) of physiological relevance.