Modélisation statistique de l’état de charge des batteries électriques

Electric batteries are omnipresent in our daily lives: computers, smartphones, etc. Batteries are important for anticipating the scarcity of fossil fuels and tackling their environmental impact. Therefore, estimating the State of Charge (SoC) of a battery is nowadays a challenging issue, as existing physical and statistical models are not yet robust. Indeed a battery is a complex electrochemical system. Its dynamic depends not only on its internal characteristics but also on uncontrolled usage conditions: temperature, usage profile, etc. However the SoC estimation helps to prevent overcharge and deep discharge, and to estimate the battery autonomy. In this study, the battery dynamics are described by a set of physical linear equations, switching randomly according to a Markov chain. This model is referred to as switching Markov state space model. To ensure the unicity of the model parameters, we prove its identifiability by applying straightforward and natural constraints on its “physical” parameters. Embedded applications, like electric vehicles, impose online estimated with hardware and time constraints. Therefore we estimate the SoC using a sequential importance sampling technique. Furthermore the model includes two latent variables: the SoC and the Markov chain state. Thus, to estimate the parameters, we develop and test three algorithms adapted to latent structure models: particle Gibbs sampler, Monte Carlo EM penalized with identifiability constraints, and Monte Carlo EM penalized with a prior distribution. The hidden Markov states aim to model the different “regimes” of the battery dynamics. We identify their number using different model selection criteria. Finally, when applied to various data from three battery types (cell, module and pack of an electric vehicle) our model allows us to analyze the battery dynamics and to obtain a robust and accurate SoC estimation under uncontrolled usage conditions.Les batteries électriques sont omniprésentes dans notre vie quotidienne : ordinateur, téléphone, etc. Elles jouent un rôle important dans le défi de la transition énergétique : anticiper la raréfaction des énergies fossiles et réduire la pollution, en développant le stockage des énergies renouvelables et les transports électriques. Cependant, l'estimation de l'état de charge (State of Charge – SoC) d'une batterie est difficile et les modèles de prédiction actuels sont peu robustes. En effet, une batterie est un système électrochimique complexe, dont la dynamique est influencée non seulement par ses caractéristiques internes, mais aussi par les conditions d'usages souvent non contrôlables : température, profil d’utilisation, etc. Or, une estimation précise du SoC permet de garantir une utilisation sûre de la batterie en évitant une surcharge ou surdécharge ; mais aussi d’estimer son autonomie. Dans cette étude, nous utilisons un modèle à espaces d'états gouverné par une chaîne de Markov cachée. Ce modèle est fondé sur des équations physiques et la chaîne de Markov cachée permet d’appréhender les différents «régimes de fonctionnement» de la batterie. Pour garantir l’unicité des paramètres du modèle, nous démontrons son identifiabilité à partir de contraintes simples et naturelles sur ses paramètres «physiques ». L’estimation du SoC dans un véhicule électrique doit être faîte en ligne et avec une puissance de calcul limitée. Nous estimons donc le SoC en utilisant une technique d’échantillonnage préférentiel séquentiel. D’autre part l’estimation des paramètres est faîte à partir d’une base d’apprentissage pour laquelle les états de la chaîne de Markov et le SoC ne sont pas observés. Nous développons et testons trois algorithmes adaptés à notre modèle à structure latente : un échantillonneur particulaire de Gibbs, un algorithme de Monte-Carlo EM pénalisé par des contraintes d’identifiabilité et un algorithme de Monte-Carlo EM pénalisé par une loi a priori. Par ailleurs les états cachés de la chaîne de Markov visent à modéliser les différents régimes du fonctionnement de la batterie. Nous identifions leur nombre par divers critères de sélection de modèles. Enfin, à partir de données issues de trois types de batteries (cellule, module et pack d’un véhicule électrique), notre modèle a permis d’appréhender les différentes sollicitations de la batterie et donne des estimations robustes et précises du SoC

Book of Abstracts XVIII Congreso de Biometría CEBMADRID

Abstracts of the XVIII Congreso de Biometría CEBMADRID held from 25 to 27 May in MadridInteractive modelling and prediction of patient evolution via multistate models / Leire Garmendia Bergés, Jordi Cortés Martínez and Guadalupe Gómez Melis : This research was funded by the Ministerio de Ciencia e Innovación (Spain) [PID2019104830RBI00]; and the Generalitat de Catalunya (Spain) [2017SGR622 and 2020PANDE00148].Operating characteristics of a model-based approach to incorporate non-concurrent controls in platform trials / Pavla Krotka, Martin Posch, Marta Bofill Roig : EU-PEARL (EU Patient-cEntric clinicAl tRial pLatforms) project has received funding from the Innovative Medicines Initiative (IMI) 2 Joint Undertaking (JU) under grant agreement No 853966. This Joint Undertaking receives support from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme and EFPIA and Children’s Tumor Foundation, Global Alliance for TB Drug Development non-profit organisation, Spring works Therapeutics Inc.Modeling COPD hospitalizations using variable domain functional regression / Pavel Hernández Amaro, María Durbán Reguera, María del Carmen Aguilera Morillo, Cristobal Esteban Gonzalez, Inma Arostegui : This work is supported by the grant ID2019-104901RB-I00 from the Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities MCIN/AEI/10.13039/501100011033.Spatio-temporal quantile autoregression for detecting changes in daily temperature in northeastern Spain / Jorge Castillo-Mateo, Alan E. Gelfand, Jesús Asín, Ana C. Cebrián / Spatio-temporal quantile autoregression for detecting changes in daily temperature in northeastern Spain : This work was partially supported by the Ministerio de Ciencia e Innovación under Grant PID2020-116873GB-I00; Gobierno de Aragón under Research Group E46_20R: Modelos Estocásticos; and JC-M was supported by Gobierno de Aragón under Doctoral Scholarship ORDEN CUS/581/2020.Estimation of the area under the ROC curve with complex survey data / Amaia Iparragirre, Irantzu Barrio, Inmaculada Arostegui : This work was financially supported in part by IT1294-19, PID2020-115882RB-I00, KK-2020/00049. The work of AI was supported by PIF18/213.INLAMSM: Adjusting multivariate lattice models with R and INLA / Francisco Palmí Perales, Virgilio Gómez Rubio and Miguel Ángel Martínez Beneito : This work has been supported by grants PPIC-2014-001-P and SBPLY/17/180501/000491, funded by Consejería de Educación, Cultura y Deportes (Junta de Comunidades de Castilla-La Mancha, Spain) and FEDER, grant MTM2016-77501-P, funded by Ministerio de Economía y Competitividad (Spain), grant PID2019-106341GB-I00 from Ministerio de Ciencia e Innovación (Spain) and a grant to support research groups by the University of Castilla-La Mancha (Spain). F. Palmí-Perales has been supported by a Ph.D. scholarship awarded by the University of Castilla-La Mancha (Spain)

Computer vision methods for unconstrained gesture recognition in the context of sign language annotation

Cette thèse porte sur l'étude des méthodes de vision par ordinateur pour la reconnaissance de gestes naturels dans le contexte de l'annotation de la Langue des Signes. La langue des signes (LS) est une langue gestuelle développée par les sourds pour communiquer. Un énoncé en LS consiste en une séquence de signes réalisés par les mains, accompagnés d'expressions du visage et de mouvements du haut du corps, permettant de transmettre des informations en parallèles dans le discours. Même si les signes sont définis dans des dictionnaires, on trouve une très grande variabilité liée au contexte lors de leur réalisation. De plus, les signes sont souvent séparés par des mouvements de co-articulation. Cette extrême variabilité et l'effet de co-articulation représentent un problème important dans les recherches en traitement automatique de la LS. Il est donc nécessaire d'avoir de nombreuses vidéos annotées en LS, si l'on veut étudier cette langue et utiliser des méthodes d'apprentissage automatique. Les annotations de vidéo en LS sont réalisées manuellement par des linguistes ou experts en LS, ce qui est source d'erreur, non reproductible et extrêmement chronophage. De plus, la qualité des annotations dépend des connaissances en LS de l'annotateur. L'association de l'expertise de l'annotateur aux traitements automatiques facilite cette tâche et représente un gain de temps et de robustesse. Le but de nos recherches est d'étudier des méthodes de traitement d'images afin d'assister l'annotation des corpus vidéo: suivi des composantes corporelles, segmentation des mains, segmentation temporelle, reconnaissance de gloses. Au cours de cette thèse nous avons étudié un ensemble de méthodes permettant de réaliser l'annotation en glose. Dans un premier temps, nous cherchons à détecter les limites de début et fin de signe. Cette méthode d'annotation nécessite plusieurs traitements de bas niveau afin de segmenter les signes et d'extraire les caractéristiques de mouvement et de forme de la main. D'abord nous proposons une méthode de suivi des composantes corporelles robuste aux occultations basée sur le filtrage particulaire. Ensuite, un algorithme de segmentation des mains est développé afin d'extraire la région des mains même quand elles se trouvent devant le visage. Puis, les caractéristiques de mouvement sont utilisées pour réaliser une première segmentation temporelle des signes qui est par la suite améliorée grâce à l'utilisation de caractéristiques de forme. En effet celles-ci permettent de supprimer les limites de segmentation détectées en milieu des signes. Une fois les signes segmentés, on procède à l'extraction de caractéristiques visuelles pour leur reconnaissance en termes de gloses à l'aide de modèles phonologiques. Nous avons évalué nos algorithmes à l'aide de corpus internationaux, afin de montrer leur avantages et limitations. L'évaluation montre la robustesse de nos méthodes par rapport à la dynamique et le grand nombre d'occultations entre les différents membres. L'annotation résultante est indépendante de l'annotateur et représente un gain de robustese important.This PhD thesis concerns the study of computer vision methods for the automatic recognition of unconstrained gestures in the context of sign language annotation. Sign Language (SL) is a visual-gestural language developed by deaf communities. Continuous SL consists on a sequence of signs performed one after another involving manual and non-manual features conveying simultaneous information. Even though standard signs are defined in dictionaries, we find a huge variability caused by the context-dependency of signs. In addition signs are often linked by movement epenthesis which consists on the meaningless gesture between signs. The huge variability and the co-articulation effect represent a challenging problem during automatic SL processing. It is necessary to have numerous annotated video corpus in order to train statistical machine translators and study this language. Generally the annotation of SL video corpus is manually performed by linguists or computer scientists experienced in SL. However manual annotation is error-prone, unreproducible and time consuming. In addition de quality of the results depends on the SL annotators knowledge. Associating annotator knowledge to image processing techniques facilitates the annotation task increasing robustness and speeding up the required time. The goal of this research concerns on the study and development of image processing technique in order to assist the annotation of SL video corpus: body tracking, hand segmentation, temporal segmentation, gloss recognition. Along this PhD thesis we address the problem of gloss annotation of SL video corpus. First of all we intend to detect the limits corresponding to the beginning and end of a sign. This annotation method requires several low level approaches for performing temporal segmentation and for extracting motion and hand shape features. First we propose a particle filter based approach for robustly tracking hand and face robust to occlusions. Then a segmentation method for extracting hand when it is in front of the face has been developed. Motion is used for segmenting signs and later hand shape is used to improve the results. Indeed hand shape allows to delete limits detected in the middle of a sign. Once signs have been segmented we proceed to the gloss recognition using lexical description of signs. We have evaluated our algorithms using international corpus, in order to show their advantages and limitations. The evaluation has shown the robustness of the proposed methods with respect to high dynamics and numerous occlusions between body parts. Resulting annotation is independent on the annotator and represents a gain on annotation consistency

Épidémiologie des transitions de profils d'autonomie des personnes âgées probabilités, facteurs associés et utilisation des services

La planification des services sociosanitaires oblige une bonne connaissance des besoins des personnes et de leur évolution. Chez les personnes âgées, les besoins sont fortement conditionnés par l'état d'autonomie. Des profils d'autonomie ont permis de bien définir des groupes de personnes ayant des besoins de services similaires. Toutefois, si les besoins sont bien connus de manière transversale, l'évolution dans le temps de groupes de personnes ainsi catégorisées l'est beaucoup moins. L'objectif de cette thèse par articles était d'estimer les transitions entre les profils d'autonomie, la durée moyenne de séjour, les facteurs associés à ces transitions et l'utilisation des services de santé. Les données proviennent de l'étude PRISMA où 1501 personnes âgées de 75 ans et plus à risque de perte d'autonomie et vivant à domicile ont été suivies pendant quatre années. Les évaluations annuelles ont été faites avec le Système de mesure de l'autonomie fonctionnelle (SMAF), à partir duquel les Profils Iso-SMAF sont générés. Ceux-ci consistent en 14 profils qu'on peut regrouper en profils légers avec atteinte aux tâches domestiques (1-2-3), profils avec atteinte prédominante à la mobilité (4-6-9) ou aux fonctions mentales (5-7-8-10) et enfin les profils lourds (11 à 14). Des variables cliniques ont aussi été mesurées ainsi que l'utilisation des services de santé. Des analyses multi-états de Markov en temps continu ont permis les estimations. Les résultats détaillés sur les transitions entre les profils et la durée moyenne de séjour dans un même profil font l'objet du premier article. On y remarque que plus le profil Iso-SMAF est lourd, moins les personnes y restent stables. Elles font principalement des transitions vers des profils plus lourds, l'institutionnalisation ou le décès. On note également la présence de récupération vers des profils plus légers, et ce, à partir de tous les profils. La durée moyenne de séjour dans un profil a été estimée pour la population étudiée et pourrait s'avérer utile pour planifier l'intervalle adéquat de réévaluation de l'état d'autonomie. L'étude des facteurs associés aux transitions fait l'objet du deuxième article. On y observe notamment que les hommes et les femmes font des transitions différentes à partir des profils légers et que l'utilisation de plusieurs services de santé est associée aux transitions vers les profils mobilité. Toutefois, il n'a pas été possible d'effectuer des analyses multivariées. Il s'agit d'une exploration des facteurs associés aux transitions. L'utilisation des services de santé chez les personnes classées dans le même profil au début et à la fin d'un an constitue la troisième grande partie des résultats. L'utilisation des services publics, privés et communautaires durant un an y sont décrits pour les profils 1 à 9. Ce volet descriptif vise à alimenter des hypothèses futures de recherche. Ces travaux de recherche demeurent exploratoires, en ce sens qu'ils constituent la première étude de transitions de profils d'autonomie, pour des profils utilisables en clinique. Ils fournissent néanmoins les premières balises sur lesquelles s'appuyer pour la planification des services de soutien à domicile aux personnes âgées en perte d'autonomie

Analyse génomique en médecine de précision : Optimisations et outils de visualisation

In oncology, a new paradigm tries to impose itself ; analyzing patient’s tumors, and identifying molecular alterations matching with targeted therapies to guide a personalized therapeutic orientation. Here, We discuss the molecular alterations possibly relevant for a therapeutic orientation, as well as the methods used for their identification : among the alterations of interest, copy number variations are widely used, and we more specifically focus on comparative genomic hybridization (aCGH). We show, using well characterized cell lines, that identification of CNV is not trivial. In particular, the choice for centralizing profiles can be critical, and different strategies for adjusting profiles on a theoretical 2n baseline can lead to erroneous interpretations. Next, we show, using tumor samples, that a major consequence is to include, or miss, targetable alterations within the decision procedure. This work lead us to develop a comprehensive workflow, dedicated to aCGH analysis. This workflow supports the major aCGH platforms, ensure a full traceability of the entire process and provides interactive visualization tools to assist the interpretation. This workflow, called rCGH, has been implemented as a R package, and is available on Bioconductor. The interactive visualization tools are available on line, and are ready to be installed on any institutional server.Un nouveau paradigme tente de s’imposer en oncologie ; identifier les anomalies moléculaires dans la tumeur d’un patient, et proposer une thérapie ciblée, en relation avec ces altérations moléculaires. Nous discutons ici des altérations moléculaires considérées pour une orientation thérapeutique, ainsi que de leurs méthodes d’identification : parmi les altérations recherchées, les anomalies de nombre de copies tiennent une place importante, et nous nous concentrons plus précisément sur leur identification par hybridation génomique comparative (aCGH). Nous montrons, d’abord à partir de lignées cellulaires caractérisées, que l’analyse du nombre de copies par aCGH n’est pas triviale et qu’en particulier le choix de la centralisation peut être déterminant ; différentes stratégies de centralisation peuvent conduire à des profils génomiques différents, certains aboutissant à des interprétations erronées. Nous montrons ensuite, à partir de cohortes de patients, qu’une conséquence majeure est de retenir ou non certaines altérations actionnables dans la prise de décision thérapeutique. Ce travail nous a conduit à développer un workflow complet dédié à l’analyse aCGH, capable de prendre en charge les sources de données les plus courantes. Ce workflow intègre les solutions discutées, assure une entière traçabilité des analyses, et apporte une aide à l’interprétation des profils grâce à des solutions interactives de visualisation. Ce workflow, dénommé rCH, a été implémenté sous forme d’un package R, et déposé sur le site Bioconductor. Les solutions de visualisation interactives sont disponibles en ligne. Le code de l’application est disponible pour une installation sur un serveur institutionnel

Linear Consensus Algorithms: Structural Properties and Connections with Markov Chains

Résumé Nous considérons un réseau d’agents multiples en interaction, et tel que chaque agent est supposé posséder un état concernant une certaine quantité d’intérêt. Selon le contexte, les états d’agents peuvent correspondre à des opinions, des valeurs, des estimés, des croyances, des positions, des vitesses, etc. Ces états sont mis à jour selon un algorithme ou protocole qui consiste en une règle d’interaction dictant la manière par laquelle les états d’un agent donné influencent ou sont influencés par ceux de ses voisins. Les voisins sont définis à partir d’un graphe sous-jacent de communication, ce dernier évoluant dans le temps de manière soit endogène ou exogène. Un consensus du système est défini comme la convergence de tous les états vers une valeur commune, lorsque le temps croît indéfiniment. La notion de consensus apparaît dans de multiples domaines de recherche. En biologie, le consensus est lié aux comportements émergents d’un ensemble d’oiseaux en vol, des bancs de poissons, etc. En robotique et en automatique, les problèmes de consensus se présentent lorsque l’on cherche à réaliser la coordination et la coopération d’agents mobiles (ex. robots et capteurs). Cette question est particulièrement importante dans la mise en réseau de capteurs avec nombreuses applications, soit en contrôle de l’environnement, ou dans un contexte militaire. En économie, la recherche de consensus par rapport à un mécanisme commun d’ajustement des prix constitue un autre exemple. En sociologie, l’émergence d’une langue commune dans une société primitive est un comportement collectif au sein d’un système complexe. Un autre comportement limite d’intérêt dans un système est celui où les états, plutôt que de converger vers une seule valeur, se fractionnent en groupes distincts, avec des limites communes dans le groupe mais distinctes d’un groupe à l’autre. Un tel comportement est appelé dans notre thèse, consensus multiple. Dans cette thèse, nous adressons deux objectifs de recherche en relation avec le comportement asymptotique des états d’agents dans un système multi-agent, possédant une dynamique mise à jour via un algorithme distribué de calcul de moyenne, de caractère général, en temps continu ou discret. Le premier objectif visé est celui de l’identification de conditions aussi faibles que possible, pour lesquelles le consensus unique ou multiple est garanti inconditionnellement, c’est-à-dire pour toute valeur du temps initial ou encore des valeurs initiales attribuées aux états. Contrairement au premier objectif centré sur la recherche de convergence inconditionnelle, notre second objectif de recherche est celui de l’identification d’ensembles particuliers de conditions initiales, non triviales toutefois, pour lesquelles un consensus global est possible.----------ABSTRACT We consider a network of multiple interacting agents, whereby each agent is assumed to hold a state regarding a certain quantity of interest. Depending on the context, states may be referred to as opinions, values, estimates, beliefs, positions, velocities, etc. Agent states are updated based on an algorithm or protocol which is an interaction rule specifying the manner in which individual agent states influence and are influenced by neighboring states. Neighbors are defined via an underlying exogenously or endogenously evolving communication graph. Consensus in the system is defined as convergence of all states to a common value, as time grows large. The notion of consensus arises in many research areas. In biology, consensus is linked with the emergent behavior of bird flocks, fish schools, etc. In robotics and control, consensus problems arise when seeking coordination and cooperation of mobile agents (e.g., robots and sensors). This is, particularly, an important issue in sensor networking with wide applications in environmental control, military applications, etc. In economics, seeking an agreement on a common belief in a price system is another example of consensus. In sociology, the emergence of a common language in primitive societies is a collective behavior within a complex system. Another important limiting behavior of the system is one whereby agents, instead of all converging to the same value, separate into multiple clusters with a uniform limiting value within each cluster. Such behavior, in this thesis, is called multiple consensus. In this thesis, we address two research objectives relating to the asymptotic behavior of agent states in a multi-agent system, with dynamics updated via a general distributed averaging algorithm in either continuous time or discrete time. The first issue is that of identifying conditions, as weak as possible, under which consensus or multiple consensus is guaranteed to occur unconditionally, i.e., irrespective of the time or values that states are initialized at. In contrast to the first research objective centered on unconditional consensus, our second research objective is that of identifying sets of particular, yet non-trivial, initial agent conditions such that global consensus occurs. In particular, we are interested in characterizing so-called eminence grise coalitions (EGC): An EGC is a possibly small group of individuals in the network who are, “naturally”, capable of leading the whole group to eventually agree on any desired value, by only choosing their own initial values properly. What is meant by “naturally” is that the group in question does not need to manipulate the nature of the network, and in particular, leaves all the interactions between any two individuals including members of the group themselves untouched. They could be thought of as hidden leaders, not specifically identifiable by title or position, but who hold the potential of perfectly influencing the asymptotic behavior of individuals in the network. In investigating EGCs in a network of opinions, the size of its smallest EGC is the main focus of our analysis

Prédiction de gènes parallélisée de haute performance dans MATLAB

Ce travail s’inscrit dans un cadre de recherche global du génome humain. Il s'intéresse particulièrement à l'identification de milliers de gènes qui demeurent toujours inconnus à ce jour. Afin de pouvoir effectuer cette tâche sur une plateforme informatique, les séquences d’acide désoxyribonucléique (ADN) seront traitées comme étant des signaux pour permettre l’usage des techniques en traitement numérique de signaux (TNS). Cette approche permettra de réduire les coûts et surtout, le temps que prennent les chercheurs à trouver un gène impliqué dans une maladie. Le projet est divisé en deux volets. Le premier volet de cette recherche consiste à réduire de façon importante les temps de calcul de certains algorithmes en bio-informatique. Cette recherche propose une méthode de mise en oeuvre des algorithmes de prédiction de gènes en parallèle avec le logiciel MATLAB. Les approches proposées sont basées soit sur l’algorithme de Goertzel ou de FFT en utilisant diverses procédures de parallélisme sur une unité centrale de traitement (CPU) et à une unité de processeur graphique (GPU). Les résultats montrent que l’utilisation d’une approche simple, c’est-à-dire sans modification de l’implémentation dans MATLAB, peut nécessiter plus de 4 h et demie pour le traitement de 15 millions de paires de bases (pb) alors qu’une implémentation optimisée peut effectuer la même tâche en moins d’une minute. Nous avons obtenu les meilleurs résultats avec l’implémentation sur GPU qui a pu compléter l'analyse en 57 s, ce qui est plus de 270 fois plus rapide qu’une approche conventionnelle. Ce premier volet de recherche propose deux stratégies pour accélérer le traitement des données du génome humain et s’appuie sur les différents mécanismes de parallélisation. Lorsque l'implantation se fait avec un CPU, les résultats indiquent qu'il serait préférable d'utiliser une fonction de bas niveau (MEX) afin d'augmenter la vitesse d’exécution. De plus, l'usage des boucles parallèles (PARFOR) doit être effectué dans un ordre précis pour bénéficier au maximum du parallélisme dans l’implantation de Goertzel. Lorsque l'implantation est exécutée sur le GPU, les données doivent être segmentées en plus petits blocs afin d'optimiser les temps de traitement. En effet, les blocs qui sont trop gros risquaient de dépasser la taille de la mémoire tandis que des blocs trop petits ne permettaient pas à l'usager de bénéficier pleinement du parallélisme. Dans le second volet, nous avons poursuivi avec l’implantation d’un second algorithme qui permet de cibler les régions susceptibles à la présence de gènes. Cet algorithme se base sur les hexamères qui sont de courtes séquences d’ADN composées de 6 nucléotides. De toutes les variations d’hexamères possibles (4096), seulement 40 de celles-ci se retrouvent plus souvent dans les régions codantes que non codantes. Les autres hexamères se retrouvent autant dans les introns que dans les exons. Il est donc possible de survoler les séquences d’ADN et, selon la présence ou l’absence de certains hexamères, de prédire quelles régions sont codantes. Lors de la superposition des deux approches, soit l’analyse en fréquence et l’analyse des hexamères, il est possible de mieux cibler les zones où l’on peut retrouver de nouveaux gènes. Les analyses effectuées avec les différents algorithmes présentent des valeurs qui témoignent de la probabilité de retrouver un gène dans une région donnée. Pour compléter le processus de prédiction, il est important de déterminer un critère à partir duquel le programme décide qu’il s’agit réellement d’un gène. Ce critère est basé sur trois paramètres, soient le seuil positif, le seuil négatif et taille de la fenêtre. Afin de déterminer les valeurs optimales, les trois paramètres ont été balayés et la meilleure combinaison a été identifiée. L’approche proposée dans ce mémoire permet d’analyser de grandes séquences d’ADN en peu de temps afin d’identifier des zones susceptibles de coder un gène. Ce processus est important puisqu’on estime qu’il reste encore quelques milliers de gènes inconnus qui peuvent être responsables de plusieurs maladies génétiques. Nous espérons que ce travail contribuera à la découverte de nouveaux gènes pour ainsi mieux diagnostiquer certaines maladies génétiques

Étude de l'oligomérisation et de la fonction de canaux ioniques par spectroscopie de fluorescence et fluorométrie en voltage imposé

La fonction des canaux ioniques est finement régulée par des changements structuraux de sites clés contrôlant l’ouverture du pore. Ces modulations structurales découlent de l’interaction du canal avec l’environnement local, puisque certains domaines peuvent être suffisamment sensibles à des propriétés physico-chimiques spécifiques. Les mouvements engendrés dans la structure sont notamment perceptibles fonctionnellement lorsque le canal ouvre un passage à certains ions, générant ainsi un courant ionique mesurable selon le potentiel électrochimique. Une description détaillée de ces relations structure-fonction est cependant difficile à obtenir à partir de mesures sur des ensembles de canaux identiques, puisque les fluctuations et les distributions de différentes propriétés individuelles demeurent cachées dans une moyenne. Pour distinguer ces propriétés, des mesures à l’échelle de la molécule unique sont nécessaires. Le but principal de la présente thèse est d’étudier la structure et les mécanismes moléculaires de canaux ioniques par mesures de spectroscopie de fluorescence à l’échelle de la molécule unique. Les études sont particulièrement dirigées vers le développement de nouvelles méthodes ou leur amélioration. Une classe de toxine formeuse de pores a servi de premier modèle d’étude. La fluorescence à l’échelle de la molécule unique a aussi été utilisée pour l’étude d’un récepteur glutamate, d’un récepteur à la glycine et d’un canal potassique procaryote. Le premier volet porte sur l’étude de la stœchiométrie par mesures de photoblanchiment en temps résolu. Cette méthode permet de déterminer directement le nombre de monomères fluorescents dans un complexe isolé par le décompte des sauts discrets de fluorescence suivant les événements de photoblanchiment. Nous présentons ici la première description, à notre connaissance, de l’assemblage dynamique d’une protéine membranaire dans un environnement lipidique. La toxine monomérique purifiée Cry1Aa s’assemble à d’autres monomères selon la concentration et sature en conformation tétramérique. Un programme automatique est ensuite développé pour déterminer la stœchiométrie de protéines membranaires fusionnées à GFP et exprimées à la surface de cellules mammifères. Bien que ce système d’expression soit approprié pour l’étude de protéines d’origine mammifère, le bruit de fluorescence y est particulièrement important et augmente significativement le risque d’erreur dans le décompte manuel des monomères fluorescents. La méthode présentée permet une analyse rapide et automatique basée sur des critères fixes. L’algorithme chargé d’effectuer le décompte des monomères fluorescents a été optimisé à partir de simulations et ajuste ses paramètres de détection automatiquement selon la trace de fluorescence. La composition de deux canaux ioniques a été vérifiée avec succès par ce programme. Finalement, la fluorescence à l’échelle de la molécule unique est mesurée conjointement au courant ionique de canaux potassiques KcsA avec un système de fluorométrie en voltage imposé. Ces enregistrements combinés permettent de décrire la fonction de canaux ioniques simultanément à leur position et densité alors qu’ils diffusent dans une membrane lipidique dont la composition est choisie. Nous avons observé le regroupement de canaux KcsA pour différentes compositions lipidiques. Ce regroupement ne paraît pas être causé par des interactions protéine-protéine, mais plutôt par des microdomaines induits par la forme des canaux reconstitués dans la membrane. Il semble que des canaux regroupés puissent ensuite devenir couplés, se traduisant en ouvertures et fermetures simultanées où les niveaux de conductance sont un multiple de la conductance « normale » d’un canal isolé. De plus, contrairement à ce qui est actuellement suggéré, KcsA ne requiert pas de phospholipide chargé négativement pour sa fonction. Plusieurs mesures indiquent plutôt que des lipides de forme conique dans la phase cristalline liquide sont suffisants pour permettre l’ouverture de canaux KcsA isolés. Des canaux regroupés peuvent quant à eux surmonter la barrière d’énergie pour s’ouvrir de manière coopérative dans des lipides non chargés de forme cylindrique.The function of ion channels is finely regulated by structural changes of key domains controlling the pore opening. These structural modulations arise from interactions with the local environment, since several domains can be sensitive to specific physico-chemical properties. Movements generated in the structure become notably perceptible when channels open a passage for some ions, thus generating a measurable ionic current according to the electrochemical potential. A detailed description of these structure-function relationships is however difficult to obtain from measurements involving a set of identical channels, since the fluctuations and distributions of different individual properties remain hidden in an average. To differentiate these properties, single-molecule recordings are required. The main purpose of this thesis is to study the structural aspects and molecular mechanisms of ion channels using fluorescence spectroscopy at the single-molecule level. Studies are oriented towards the development or improvement of new methods. A class of pore-forming toxin served as a first study model. Single-molecule fluorescence was also used to study an ionotropic glutamate receptor, a glycine receptor and a prokaryotic potassium channel. The first part focuses on the study of stoichiometry using fluorescent subunit counting. This method allows a direct measure of the number of fluorescent monomers within a single complex by counting the number of step-wise fluorescence intensity decrease following photobleaching events. Here we present the first description, to our knowledge, of the dynamic assembly of a membrane protein in a lipid environment. The purified monomeric Cry1Aa toxin clusters with other monomers depending on the concentration and saturates in a tetrameric conformation. An automated method has been developed to determine the stoichiometry of GFP-tagged membrane proteins expressed on mammalian cell surface. Although this expression system is suitable for the study of proteins of mammalian origin, background fluorescence is particularly important and significantly increases the risk of error in the manual counting process. The presented method allows a fast and automated analysis based on fixed criteria. The algorithm responsible for counting fluorescent monomers was optimized from simulations and adjusts its detection parameters automatically according to the fluorescence trace recording. The composition of two ion channels was successfully verified using this program. Finally, single-molecule fluorescence is measured together with ionic current of KcsA channels using a voltage-clamp fluorometry setup. These combined recordings allowed us to describe the function of ion channels simultaneously to their position and density as they diffuse in a lipid membrane of defined composition. We observed clustering of KcsA channels for various lipid compositions. Clustering does not appear to be caused by protein-protein interaction, but rather by microdomains induced by the shape of reconstructed channels in the lipid bilayer. It seems that clustered KcsA channels could then become coupled, resulting in cooperative gating events with conductance levels multiple to the “normal” unitary channel conductance. Moreover, as opposed to what is currently suggested, KcsA does not require a negatively charged phospholipid for its function. Several of our recordings rather suggest that conically shaped lipids in the lamellar liquid crystalline phase are sufficient to allow single channel opening. Clustered channels can on the other hand overcome the energy barrier to open cooperatively in uncharged cylindrical lipids

Variation inter-individuelle de la distance de fuite et ses conséquences sur la distribution des girafes du Niger (Giraffa camelopardalis peralta)

À une période où les contacts entre humains et animaux sauvages augmentent régulièrement, il est nécessaire de comprendre les conséquences de ces interactions sur l'écologie des populations animales, que ce soit à court ou à long terme. Les perturbations sont de nature diverse et leurs impacts le sont tout autant. La variation dans la réponse des individus peut avoir des répercussions sur leur distribution, leur utilisation de l'habitat, leur reproduction et ultimement leur survie. Cette variation peut être causée par des facteurs environnementaux, mais également par des traits intrinsèques aux individus (ex.: qui démontrent des différences constantes à travers le temps entre les individus (indices de tempérament)). Quelques études récentes laissent supposer que certains traits de comportement en relation avec la tolérance des animaux humains pourraient expliquer une distribution spatiale non aléatoire des individus dans un habitat présentant une variation des perturbations anthropiques. Dans le but de vérifier cette hypothèse, nous avons utilisé la distance de fuite (FID), qui est utilisée en biologie de la conservation pour évaluer l'impact de la présence humaine sur les populations d'animaux sauvages. Nous avons évalué si les individus montraient des différences constantes de FID à travers le temps, à l'aide de mesures répétées en 2006 (160 observations sur 88 individus) et 2008 (84 observations sur 65 individus), dans la dernière population de girafes de l'Afrique de l'Ouest (Giraffa camelopardalis peralta) localisée au Niger. La distance de fuite variait selon le sexe, l'âge et la distance d'alerte des individus. De plus, les individus montraient des différences de FID permanentes, la répétabilité étant supérieure à l'intérieur de la même année (r = 0.45 en 2006, r = 0.43 en 2008) que lorsque les données étaient rassemblées sur les deux années (r = 0.22). Nous avons ensuite utilisé la distance de fuite moyenne pour chaque individu (FIDm) comme indice de tempérament (de peur) pour expliquer la distribution des girafes en relation avec la présence humaine. Nous avons utilisé les coordonnées GPS (en incluant les données de recensement des années 2007, 2008 et 2009) pour mesurer les distances entre la localisation des groupes de girafes et 1) la route la plus proche (incluant la route goudronnée principale et les routes secondaires faites de latérites), 2) la route goudronnée principale, 3) le village le plus proche. Ces distances sont utilisées ici comme des indices du niveau de perturbation par les humains. La distance de fuite moyenne individuelle (FIDm) de l'année 2006, était positivement associée à ces trois distances chez les femelles. D'autres facteurs comme la présence de jeunes dans le groupe et la taille du groupe semblent également affecter leur distribution. Nos résultats supportent l'hypothèse selon laquelle les individus ayant une plus ou moins forte tolérance aux humains diffèrent dans leur probabilité d'être observés près de zones à forte affluence humaine. Ces résultats pourraient avoir des implications importantes tant pour l'écologie que la conservation des populations animales, spécialement dans un contexte où les perturbations anthropiques mondiales sont en croissance.\ud ______________________________________________________________________________ \ud MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Giraffa camelopardalis peralta, distance de fuite, constance, variation inter-individuelle, distribution, perturbation, présence humaine

Inférence bayésienne de l'erreur de modèle pour la calibration des codes CFD

The calibration of a computer code consists in the comparison of its predictions to the experimental data, so that the best input parameter values can be inferred. We work in a Bayesian framework, where the parameters are treated as random variables to accurately represent the uncertainty around their values, and the subsequent model predictions. The focus is on situation where, regardless of parameter values, there remains an irreducible discrepancy between model predictions and the data, which reveals the presence of model error. Every model is an imperfect representation of reality, and its model error is caused by the approximating assumptions it is based on.In the first part of the manuscript we present the theoretical and numerical contributions developed in this thesis, and the principal one is the development of a new technique for estimating model error, named Full Maximum a Posteriori (FMP), based on a new parameterization of the model discrepancy distribution, and the introduction of optimal hyperparameters. This technique is replaced in the context of traditional estimation technique, notably the one of Kennedy-O'Hagan (KOH) which is the standard in the domain. Under an assumption of normality of the posterior density, we show that the FMP method outperforms the KOH method, since it does not underestimate the parameter uncertainty and it reveals all possible explanations of the data when the posterior is multimodal. The relevance of this normality assumption is examined in situations where the number of experimental observations tends to infinity, in three asymptotic frameworks. A second chapter is dedicated to numerical techniques that are used in calibration, notably the sampling of densities using Markov Chain Monte-Carlo techniques, and the construction of a surrogate model following a dimensionality reduction of the code output using a Principal Component Analysis. We introduce a variant of the resampling algorithm applied to the FMP sample to improve its quality. In order to accelerate the FMP technique, we also propose an algorithm of construction of surrogate models for the optimal hyperparameters, with training points drawn from samples of successive Markov Chains, weighted according to the predictive uncertainties.In a second part we present two applications of the FMP calibration, where it is compared to the KOH method and the reference solution when it is attainable. First we consider the study of a liquid boiling at a wall, with a model that predicts the partitioning of the wall heat flux. The calibration is performed using data from multiple experimental configurations, which constitutes a significant number of hyperparameters to be treated simulataneously. In a second chapter we treat both experimental uncertainty and model error in the code Neptune_CFD, specifically considering the model of interfacial area transport based on bubble interaction. The calibration is performed using the data obtained from the DEBORA experimental facility. On both applications we show that the FMP method is more robust than the KOH method since it avoids overconfident estimation of model parameters and falsely narrow confidence intervals on the predictions. Furthermore, the FMP method is performed at lower cost than the reference solution, so it is attainable in situations where the number of unknowns is high. The robust and cheap character of this technique makes it relevant for nuclear applications, but also in many more domains where we require the reproduction of experimental data with numerical simulations.La calibration d'un code de calcul consiste en la comparaison de ses prédictions aux données expérimentales dont on dispose, pour déterminer les meilleures valeurs des paramètres d'entrée. Nous travaillons dans un cadre bayésien où ces paramètres sont représentés par des variables aléatoires, permettant une représentation fidèle de l'incertitude sur leurs valeurs ainsi que sur les prédictions. Nous nous intéressons à des situations où, après avoir étudié les possibles variations des paramètres d'entrée du code, il subsiste une distance irréductible entre prédictions et observations, ce qui indique la présence d'une erreur de modèle. Cette erreur provient de l'utilisation d'hypothèses simplificatrices lors de l'élaboration d'un modèle.Dans une première partie nous présentons les contributions théoriques et numériques de cette thèse, dont la principale est une nouvelle approche d'estimation de l'erreur de modèle nommée Full Maximum a Posteriori (FMP), portée par l'introduction d'une nouvelle paramétrisation de la distribution du biais de modèle, et sur le calcul d'hyperparamètres optimaux. Cette méthode est placée dans le contexte des techniques traditionnelles d'estimation et notamment de la méthode classique de Kennedy et O'Hagan (KOH). Sous une hypothèse de normalité de la densité à posteriori, nous démontrons la supériorité de l'approche FMP vis-à-vis de la méthode KOH car elle ne sous-estime pas l'incertitude paramétrique et révèle la totalité des explications possibles des données lorsque la postérieure est multimodale. La pertinence de cette hypothèse de construction est ensuite étudiée dans des situations où le nombre d'observations expérimentales tend vers l'infini, selon trois modes d'acquisition différents. Nous présentons les techniques numériques qui sont au coeur de la calibration, à savoir l'échantillonnage de densités selon la méthode de Monte-Carlo par chaînes de Markov, et la construction de modèles de substitution du code de calcul couplée à une réduction de dimensionalité au moyen d'une Analyse par Composantes Principales. Une méthode d'amélioration de la précision des échantillons FMP basée sur l'algorithme de rééchantillonnage est également proposée. Dans le but d'accélérer la méthode FMP, nous proposons un algorithme permettant la construction de modèles de substitution pour les hyperparamètres optimaux, où les points d'entraînement sont tirés au hasard dans des échantillons de chaînes de Markov successives, avec pondération selon l'incertitude de prédiction.La seconde partie de la thèse est consacrée aux applications de la méthode FMP et la comparaison avec la méthode KOH et la solution de référence au problème de calibration. Dans un premier temps nous procédons à la calibration d'un modèle de répartition de flux thermique à la paroi dans un écoulement en convection forcée, en utilisant des observations provenant de multiples configurations expérimentales, ce qui constitue un nombre significatif d'hyperparamètres à traiter de manière simultanée. La seconde application porte sur le code de calcul Neptune_CFD, où nous traitons simultanément l'incertitude expérimentale et l'erreur de modèle qui porte sur l'équation de transport de l'aire interfaciale, à partir de données obtenues sur l'expérience DEBORA. Sur ces deux applications, nous démontrons que la méthode FMP est plus robuste que la méthode KOH car elle évite une confiance excessive envers les paramètres et produit des intervalles de confiance plus fiables sur les prédictions. De plus, son coût réduit permet de réaliser une calibration dans des situations où la solution de référence serait trop chère à calculer. La technique FMP de calibration, illustrée ici par des applications empruntées au domaine nucléaire, est également applicable à de nombreuses situations où le but est de reproduire des données expérimentales par le biais de simulations numériques