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Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail de thèse porte sur la réalisation et la validation d'un capteur pour la mesure d'impédance en cytométrie de flux associée à un dispositif microfluidique pour des cellules sanguines dans la gamme de fréquences (100 kHz-10 MHz). Un premier chapitre introduit les propriétés électriques et diélectriques des tissus vivants. Les effets de chaque élément des cellules sur l'impédance globale mesurée sont décrits, ainsi que les modèles associés. Un état de l'art, sur les mesures de l'échelle macroscopique à la mesure unitaire de cellules, est exposé dans le second chapitre. Les mesures en cytométrie de flux et l'utilisation possible des actionneurs à ondes acoustiques de surface (SAW) y sont aussi étudiées. Le troisième chapitre concerne la modélisation analytique et la simulation par la méthode des éléments finis de cellules unitaires par des microélectrodes de différentes géométries. Les résultats de cette section ont permis de déterminer les meilleures géométries, leurs sensibilités, et leurs réponses. La fabrication du capteur est étudiée dans le quatrième chapitre. Les contraintes liées à la faisabilité par les techniques de micro-fabrication et la biocompatibilité des matériaux y sont développées. Des premiers tests de validation sur les écoulements y sont effectués. Le cinquième et dernier chapitre est centré sur la mesure de cellules et particules. Des tests de calibration ont été réalisés pour déterminer le facteur de forme des électrodes et les impédances parasites. Les mesures suivantes sur des cellules et particules ont permis de valider les résultats obtenus en simulation, ainsi que la discrimination des particules testées en fonction de leurs dimensions / This thesis focuses on the implementation and validation of a microfluidic bioimpedance sensor for cytometric measures in the frequency range ( 100kHz - 10MHz ) of biological cells ( blood cells) combined with a microfluidic device. The first chapter introduces the electrical and dielectric properties of living tissues and summarizes the state of the art. The effects of each element of the cells on the overall measured impedance are described, as well as the associated models. A state of the art, on the bioimpedance macroscopic measurements unit cell is outlined in the second chapter. Measurements by flow cytometry and the possible use of surface acoustic wave (SAW) devices as actuators are also studied. The third chapter deals with analytical modeling and simulation by the finite element method of unit cells by microelectrodes of different geometries. 3D simulations were done showing the best configuration for the electrodes design. The results of this section were used to determine the best geometry, their sensibilities, and their answers. The sensor design is described in the fourth chapter. Technological constraints related to its micro- fabrication techniques feasibility and biocompatibility of materials are developed. Flows validation tests were done and are described. The fifth and final chapter focuses on the measurement of cells and particles. In a first step, calibration tests were carried out to determine the form factor of the electrodes and the parasitic impedances. Measurements on cells and particles were used to validate the results obtained in simulation, as well as discrimination based particles tested their dimensions

Une particularité de la modalité sensorielle olfactive est la nature complexe du stimulus chimique à représenter. Les cellules sensorielles de la cavité nasale sont sensibles aux traits physico-chimiques des molécules et transmettent cette information vers le bulbe olfactif, premier relais central de cette modalité. L'organisation des voies de projection vers le bulbe entraîne une spatialisation de l'activité dans cette structure, ce qui constitue un mode de représentation de l'information mais qui n'est pas suffisant à lui seul. Le bulbe olfactif est également marqué par des phénomènes dynamiques prépondérants. Tout d'abord le rythme respiratoire, qui organise temporellement le niveau d'activation de l'appareil sensoriel, ensuite les oscillations des potentiels de champs locaux, et enfin les oscillations sous-liminaires des potentiels de membrane des cellules. Ces éléments dynamiques pourraient être le support de la formation d'assemblées de neurones, sous-populations de cellules synchronisées transitoirement et permettant la représentation de l'information suivant un principe spatio-temporel. Les travaux présentés dans cette thèse sont basés sur l'enregistrement conjoint des activités unitaires des cellules du bulbe, des oscillations des potentiels de champs locaux et de la respiration en réponse à des stimulations olfactives. Nous montrons les relations existant entre les différents phénomènes dynamiques et comment ils permettent d'organiser l'activité des cellules pour aboutir à la formation d'assemblées de neurones fonctionnelles. Nous mettons particulièrement en évidence le rôle central de la respiration dans le fonctionnement intégré du bulbe olfactif.

L'objectif de cette maîtrise est d'évaluer différents modèles hydrauliques simplifiés, ainsi que des méthodes de calage en ligne pour la gestion en temps réel de réseaux d'assainissement par commande prédictive. Les qualités recherchées sont : robustesse, rapidité d'exécution, précision de prédiction, intégration dans le schéma de contrôle et adaptabilité. Les modèles hydrauliques linéaires d'écoulement MA et ARMA, ainsi que onze méthodes de calage (moindres carrés simples, algorithme à facteur d'oubli variable et trace constante, filtre de Kalman et filtre de Kalman augmenté sans et avec contraintes, identification prédictive, quatre variantes de programmation non linéaire) ont été définies et analysées. Des tests ont été faits avec des données simulées à l'aide de SWMM, puis avec des mesures provenant du réseau d'égouts de la Ville de Québec. Les tests présentés dans ce mémoire montrent que les modèles MA couplés aux méthodes de programmation non linéaire produisent les meilleurs résultats.

Pour plusieurs grandes villes nord-américaines et européennes possédant un réseau unitaire, les bassins de rétention sont devenus un moyen courant pour diminuer les rejets polluants aux cours d'eau récepteurs et pour régulariser les charges hydrauliques arrivant à la station en temps de pluie. Cependant, des études démontrent que la vidange des réservoirs a un effet négatif sur le procédé de traitement des stations d'épuration. Cette étude vise deux objectifs: (1) caractériser les eaux unitaires à l' entrée et lors de la vidange d'un réservoir de rétention par temps de pluie pour deux paramètres principaux: matières en suspension (MES) et demande chimique en oxygène (DCO) et (2) évaluer des bilans massiques de polluant à l'entrée et à la sortie d'un bassin de rétention pour estimer l'impact sur la station d'épuration des eaux usées. Pour ce faire, une campagne d'échantillonnage dans laquelle la récolte et l'analyse des eaux unitaires à l'entrée et la sortie ont eu lieu dans un réservoir de rétention utilisant un système de vidange par pompage a été réalisée. Les analyses ont démontré une grande variabilité des eaux unitaires dans le réservoir. Ensuite, on a observé que les particules semblent décanter rapidement, car on les retrouve en grandes quantités lors des premières 30 minutes de la vidange par pompage. Finalement, les bilans de masse réalisés démontrent que les réservoirs de rétention emmagasinent une importante quantité de matières, permettant d'éviter d'importantes contaminations des cours d'eau lors d'événements pluvieux. Lors de la première heure de vidange du réservoir, en moyenne 45% de la totalité des MES est envoyé à la station d'épuration des eaux usées.

La pollution des eaux dans les réseaux unitaires et sanitaires peut être affectée par le changement du comportement hydraulique dans ces derniers. Les Matières en Suspension (MeS) sont considérées comme un indicateur majeur de cette pollution. C’est dans ce contexte que cette étude s’inscrit. Son objectif principal consiste à caractériser le comportement des polluants particulaires dans les réseaux d’assainissement sous différentes conditions hydrauliques. Afin d’atteindre les objectifs de la recherche, des tests de MeS, MVeS (Matières Volatiles en suspension) et ViCAs (Vitesse de Chute en Assainissement) ont été effectués sur des eaux unitaires et sanitaires de la Ville de Québec. De plus, une base de données a été fournie par la Ville de Québec qui a permis d’étudier le comportement hydraulique. Les résultats obtenus en termes de comportement hydraulique en temps de pluie confirment que le débit varie avec les caractéristiques des évènements pluvieux dans le réseau unitaire. Également, une augmentation importante de débit a été observée en réseau sanitaire vieillissant à la suite de pluies. En termes de qualité de l’eau, l’évolution de la concentration en MeS et MVeS est similaire à l’évolution du débit en temps sec. En temps de pluie, des profils décroissants de MeS sont obtenus pour quelques évènements où la concentration la plus forte peut être associée au premier flot. Les variations en termes d’hydraulique du système ont affecté les vitesses de chute des particules observées. En effet, ces vitesses augmentent avec le débit (la vitesse d’écoulement). D’autre part, l’augmentation de la fraction organique des particules coïncide avec une diminution de leurs vitesses de chute. En conclusion, cette étude a permis une meilleure compréhension des processus affectant le comportement des particules dans les réseaux d’assainissement ce qui contribuera à l’amélioration et la prévision de la qualité de l’eau. / Water pollution in combined and sanitary sewers can be affected by changes in hydraulic behaviour in sewer systems. The Total Suspended Solids (TSS) are considered a major indicator of this type of pollution. It is in this context that this study fits. Its main objective is to characterize the behaviour of particulate pollutants in sewer systems under different hydraulic conditions. In order to achieve the research objectives, analyses of TSS, VSS (Volatile Suspended Solids) and ViCAs (Settling velocity in sewage) were performed with combined and sanitary water samples from Québec City. In addition, a database was provided by the city to study the hydraulic behaviour. The results obtained in terms of the hydraulic behaviour in wet weather show that the variation of the flow rate depends on the characteristics of the rain in the combined sewer system. Also, an important increase in flow in the old sanitary sewer was observed in wet weather. In terms of water quality, the evolution of the concentration of TSS and VSS in dry weather follows the evolution of the flow. In wet weather, decreasing TSS profiles are obtained for some events where high concentrations can be associated to first flush. These variations of the system hydraulics and concentrations of TSS and VSS also affected the particle settling velocity distribution measured with the ViCAs protocol. In fact, the settling velocity increases with the flow (flow velocity). On the other hand, an increase in the organic fraction coincides with a decrease in the settling velocity. In conclusion, this study has provided a better understanding of the processes affecting the behaviour of particles in sewer systems, which will contribute to the improvement and the prediction of water quality.

Dans notre environnement, nous sommes constamment exposés à de multiples stimuli sensoriels que notre cerveau doit analyser. Afin d'interagir avec le monde qui nous entoure, nous devons intégrer ces différentes sources d'informations sensorielles. L'étude des processus d'intégration multisensorielle est essentielle pour comprendre comment le cerveau intègre les éléments séparés d'un objet défini par plusieurs composantes sensorielles pour former un percept unifié. Il est maintenant couramment admis que la présentation conjointe de plusieurs informations sensorielles de modalités différentes d'un même stimulus peut faciliter la perception. Cette facilitation multisensorielle semble être soumise à des règles particulières puisque certains facteurs l'influencent. Parmi eux, nous avons étudié, dans notre première étude, l'impact de trois facteurs que sont la saillance, la congruence sémantique et le changement de modalité sur les performances de détection de stimuli naturels chez l'homme et le singe. L'utilisation de stimuli naturels nous a permis de mettre en lumière l'influence des paramètres physiques des stimuli sur l'intégration multisensorielle. De plus, nous avons montré que les effets de ces facteurs sur des stimuli naturels diffèrent de ceux retrouvés avec des stimuli simples. Ces résultats convergent vers des effets multifactoriels sur la facilitation multisensorielle dont la force, les interdépendances et l'ordre varieraient en fonction de la tâche comportementale et de ce fait, de la charge cognitive. D'un point de vue anatomique et plus précisément au niveau cortical, les processus d'intégration multisensorielle paraissaient être jusqu'à récemment une caractéristique que seules possédaient les aires associatives situées au sommet de la hiérarchie du traitement de l'information. On sait maintenant que des aires corticales de bas niveau, pensées jusque-là comme étant unisensorielles, sont impliquées dans les processus multisensoriels, soulevant ainsi la question des aires sous-corticales. Des études anatomiques ont mis en évidence l'existence de noyaux thalamiques qui, par leurs connexions, pourraient permettre un transfert rapide et même une intégration des informations sensorielles. Cette nouvelle littérature témoigne de la grande complexité des réseaux cérébraux de la multisensorialité. Dans deux études électrophysiologiques chez le singe, nous avons examiné les propriétés multisensorielles de deux structures, le gyrus cingulaire postérieur et le pulvinar médian, qui n'avaient jamais été explorées auparavant dans un contexte multisensoriel. Nous avons montré que ces structures sont non seulement multisensorielles mais également intégratives et qu'elles pourraient appartenir à un même système fonctionnel. Ces travaux de thèse ont apporté des éléments supplémentaires quant à notre compréhension des processus d'intégration multisensorielle au niveau comportemental et des réseaux cérébraux sous-jacents et particulièrement ceux liés à l'intégration de stimuli naturels. / In our environment, we are constantly exposed to multiple sensory stimuli that our brain has to analyze. To interact with the surrounding world, we have to integrate these different sources of sensory information. The study of the processes of multisensory integration are essential in understanding how our brain integrates the individual parts of an object defined by several sensory components to arrive at a unified percept. It is now widely accepted that the concurrent presentation of several sensory information about the same stimulus in different modalities can facilitate its perception. This multisensory facilitation seems to be subjected to specific rules since some factors influence it. Amongst them, we have studied, in our first experiment, the impact of three factors, namely saliency, semantic congruency and modality switch, on the detection of natural stimuli in humans and monkeys. Using natural stimuli enabled us to highlight the influence of the physical parameters of stimuli on multisensory integration. Moreover, we showed that the effect of these factors on natural stimuli are different from those found with simple stimuli. These results point toward multifactorial effects on multisensory facilitation, of which the force, the interdependency and the order would vary as a function of the behavioral task, and, thus as a function of the cognitive load. From an anatomical point of view and more specifically at the cortical level, the integration mechanism appeared to be, until recently, a characteristic possessed only by associative areas at the top of the hierarchy of information processing. We now know that low level cortical areas, thought up to then to be only unisensory, are implicated in multisensory processes, thus raising the question about subcortical areas. Anatomical studies have shown the existence of thalamic nuclei which, through their connectivity, could allow for a rapid transfer and even an integration of sensory information. This new literature demonstrates the high complexity of the multisensory cerebral networks. In two electrophysiological studies in the monkey, we examined the multisensory properties of two structures, the posterior cingulate gyrus and the median pulvinar, which had never been explored before in a multisensory context. We not only showed that these structures are multisensory, but also integrative and that they could be part of the same functional network. This thesis has brought additional elements towards a better understanding of multisensory integration processes at the behavioral level and about the underlying brain networks, in particular those linked with the integration of natural stimuli.

La biologie a connu une extraordinaire révolution avec l'arrivée de nombreux génomes entièrement séquencés. L'analyse de la quantité d'informations disponibles nécessite la création et l'utilisation d'outils informatiques automatisés. L'interprétation des données biologiques prend tout son sens à la lumière de l'évolution. En ce sens, les études évolutives sont incontestablement nécessaires pour donner un sens aux données biologiques. Dans ce contexte, le laboratoire développe des outils pour étudier l'évolution des génomes (et protéomes) à travers les mutations subies. Cette thèse porte sur l'étude spécifique des événements de pertes de gènes unitaires. Ces événements peuvent révéler des pertes de fonctions très instructives pour comprendre l'évolution des espèces. En premier lieu, j'ai développé l'outil GLADX qui mime l'expertise humaine afin d'étudier automatiquement et avec précision les événements de pertes de gènes unitaires. Ces études se basent sur la création et l'interprétation de données phylogénétiques, de BLAST, de prédictions protéiques, etc., dans un contexte automatisé. Ensuite, j'ai développé une stratégie utilisant l'outil GLADX pour étudier à grande échelle les pertes de gènes unitaires au cours de l'évolution du protéome humain. La stratégie utilise d'abord comme filtre l'analyse de groupes d'orthologues fabriqués par un outil de clustérisation à partir du protéome complet de nombreuses espèces. Cette analyse a permis de détecter 6237 pertes de gènes unitaires putatives dans la lignée humaine. L'étude approfondie de ces pertes avec GLADX a mis en évidence de nombreux problèmes liés à la qualité des données disponibles dans les bases de données. / Biology has undergone an extraordinary revolution with the appearance of numerous whole genomes sequenced. Analysis of the amount of information available requires creation and use of automated tools. The interpretation of biological data becomes meaningful in light of evolution. In view of all this, evolutionary studies are undoubtedly necessary to highlight the biological data. In this context, the laboratory develops tools to study the genomes (and proteomes) evolution through all the undergone mutations. The project of this thesis focuses specifically on the events of unitary gene losses. These events may reveal loss of functions very instructive for understanding the evolution of species. First, I developed the GLADX tool that mimics human expertise to automatically and accurately investigate the events of unitary gene losses. These studies are based on the creation and interpretation of phylogenetic data, BLAST, predictions of protein, etc., in an automated environment. Secondly, I developed a strategy using GLADX tool to study, at large-scale, the loss of unitary genes during the evolution of the human proteome. The strategy uses, in the first step, the analysis of orthologous groups produced by a clustering tool from complete proteomes of numerous species. This analysis used as a filter, allowed detecting 6237 putative losses in the human lineage. The study of these unitary gene loss cases has been deepened with GLADX and allowed to highlight many problems with the quality of available data in databases.

À l’interface des neurosciences et de la psychologie sociale expérimentale, nos travaux explorent les bases neuronales de la « facilitation sociale » (effet facilitateur de la présence d’un congénère sur la performance) chez le singe à partir d'enregistrements électrophysiologiques unitaires dans le cortex préfrontal dorsolatéral et dans le cortex cingulaire antérieur. L'analyse de l’activité de 342 neurones liée au codage des résultats de l’action (signaux d'erreur et de succès) révèle que, dans leur grande majorité, les neurones de ces deux structures expriment une sensibilité différenciée à la présence du congénère. Trois populations de neurones sont découvertes: des neurones dits « sociaux », dont la décharge est plus ample en présence du congénère qu’en son absence, des neurones dits « asociaux », avec un pattern de décharge inverse, et une population plus minoritaire dite « neutre », dont l’amplitude de décharge est la même dans ces deux conditions. Il apparaît que les relations entre le comportement et l'activité neuronale lors du codage des signaux d’erreur dépendent de la nature plus ou moins compatible des populations neuronales identifiées avec les contextes de performance eux-mêmes. Nos résultats indiquent une implication majeure des neurones sociaux dans les effets de facilitation sociale étudiés depuis un siècle dans plusieurs espèces animales et offrent un nouveau regard sur le cerveau social. Sans nier l’idée de régions entières spécialisées dans le traitement des informations sociales, nos travaux suggèrent que des populations neuronales dotées d’une sensibilité plus ou moins sociale coexistent et probablement interagissent à l’échelle du cerveau entier. / At the interface of neuroscience and experimental social psychology, our work explores the neural bases of « social facilitation » (the facilitating effect of the presence of a conspecific on performance) in monkeys using single-unit electrophysiological recordings in the dorsolateral part of the prefrontal cortex (PFDL) and the anterior cingulate cortex (ACC). The analysis of the activity of 574 neurons coding for error signals and successes reveals that the vast majority of neurons in both structures express a differential sensitivity to social presence. Three populations of neurons are discovered : neurons called « social », exhibiting higher discharge rate in the presence of a conspecific than alone, neurons called « asocial », exhibiting a reverse discharge pattern, and neurons called « neutral », whose discharge magnitude is the same in both conditions. More importantly, it appears that the relationship between behavior and neural activity when encoding error feedback depends on whether the neuronal populations at stake are compatible or incompatible with the performance contexts themselves. Overall, our results indicate a major role of social neurons in social facilitation effects studied for a century in several animal species and offer a new look at the « social brain ». Without denying the idea of entire regions involved in the processing of social information, our work suggests that neuronal populations with varying degrees of social sensitivity actually coexist and probably interact across the whole brain.