Modélisation et représentation dans l'espace des phénomènes photoniques inélastiques en biophotonique

Ce présent mémoire s’intéresse à la modélisation mathématique pour aborder la spatialité de signaux de spectroscopie Raman et de fluorescence dans des problématiques d’assistance au diagnostic et d’aide à l’instrumentation. Dans un premier temps, ce mémoire expose une technique de simulation adaptée à un large spectre d’interaction photon-matière basée sur la résolution par tracé de chemin Monté-Carlo pour des domaines discrets. L’algorithme développé, le parcours caché des photons, supporte notamment les phénomènes linéaires, soit l’absorption et l’émission spontanée, les diffusions élastiques et inélastiques (Raman), les réflexions, les réfractions et la fluorescence. Le modèle a été conçu dans l’objectif d’être adapté à la complexité des milieux biologiques, soit la complexité des interactions et des géométries. La représentation discrète de l’espace est réalisée par Marching Cube et l’ensemble des phénomènes est simulé simultanément, pour plusieurs longueurs d’onde discrètes, afin de supporter les interactions entre les phénomènes (diaphonie) et de produire une solution physiquement exacte. La solution a été implémentée dans un format de calcul générique sur un processeur graphique par adaptation du pipeline 3D. L’algorithme présenté aborde aussi des méthodes pour limiter l’utilisation de la mémoire afin de présenter une solution non prohibitive aux phénomènes Raman et de fluorescence à plusieurs longueurs d’onde. De plus, la solution proposée intègre une caméra, une visualisation de la fluence et une visualisation 3D des photons afin d’être adaptée au domaine de la biophysique. Finalement, les algorithmes développés sont validés par la prédiction de résultats déterminés selon une base théorique et expérimentale. Le simulateur propose une méthode théorique pour calibrer les instruments de mesure optiques et pour évaluer la portée d'un signal. Dans un second temps, ce mémoire propose des méthodes de réduction de dimensionnalité pour optimiser la reconnaissance automatisée de volumes de données rattachés à des modalités optiques dans un contexte biomédical. Deux modalités optiques sont plus spécialement visées, soit la microscopie Raman et la tomographie en cohérence optique. Dans le premier cas, un outil effectuant des analyses chimiométriques a été mis au point pour reproduire les images de coloration histologique avec la microscopie traditionnelle. L’algorithme a été proposé pour des échantillons fixés sur des lames d’aluminium.----------Abstract This master’s thesis focuses on mathematical modelling to address the spatiality of Raman spectroscopy and fluorescence signals to assist instrumentation and diagnostics. Firstly, this thesis presents a simulation technique adapted to a broad spectrum of photon-matter interaction based on the Monte Carlo path tracing resolution for discrete domains. The developed algorithm, the hidden path of photons, notably supports linear phenomena, namely absorption and spontaneous emission, elastic and inelastic scattering (Raman), reflections, refractions and fluorescence. The model was designed with the objective of being adapted to the complexity of biological environments, of interactions and of geometries. The discrete representation of space is performed by Marching Cube and the set of phenomena is simulated simultaneously, for several discrete wavelengths, in order to support the interactions between the phenomena (crosstalk) and to produce a physically exact solution. The solution has been implemented in a general-purpose processing on graphics processing units format by adaptation of the 3D pipeline. The presented algorithm also addresses methods to limit the use of memory in order to present a non-prohibitive solution to Raman diffusion and fluorescence at several wavelengths. In addition, the proposed solution integrates a camera, a visualization of fluence and a 3D visualization of photons to be adapted to the field of biophysics. Finally, the algorithms developed are validated by the prediction of known results on a theoretical and empirical basis. The simulator represents a theoretical method for calibrating optical measuring instruments and determining the spatial range of a signal. Secondly, this thesis proposes dimensionality reduction methods to optimize the automated recognition of data volumes related to optical modalities in biomedical contexts. Two optical modalities are more specifically targeted, namely Raman microscopy and optical coherence tomography. In the first case, a tool performing chemometrics analysis was developed to reproduce histologic staining images with traditional microscopy. The algorithm has been proposed for samples fixed on aluminium microscope slides. By evaluating the contribution of the measured signal on an empty slide, algorithm seeks to evaluate the drop in concentration of the compounds of interest, making analogy to the gradual transparency in histology, thus offering a more faithful representation

La genèse spatiale et morphologique de l’habitat Auto-Construit dans les contextes fragiles : Cas des Aurès

Cette étude se veut une contribution dans la recherche de lien complexe entre espace et société. Elle se focalise sur la question de l’espace du nouveau type d’habitat auto-construit apparu depuis l’indépendance dans une des régions de l’Algérie la plus enclavée : les Aurès. Le processus de production et la manière d’évolution des formes et des pratiques d’habiter sont au centre d’intérêt de cette thèse qui s’intéresse à deux cas d’étude : Menaa et Bouzina. D’anciens guerriers, les Chaouias sont passés d’un support économique autarcique et un mode de vie fondé sur la transhumance et le semi-nomadisme a un mode sédentaire, de tendance architecturale nouvelle opposée à la pratique ancestrale traditionnelle locale, dans un contexte fragile. Aux époques précoloniale et colonial, l’architecture traditionnelle dominait. Les mutations socio-économiques et politiques après l’indépendance, traduits notamment la faible prise en charge du secteur d’habitat, et le manque de contrôle de croissance urbaine des villages et des petites bourgades a donné lieu à une urbanisation anarchique et d’un mode de réalisation illicite et auto construit, favorisant l’apparition de l’auto-construit, nourrie plus tard, par l’essor économique de l’époque, le brassage culturel et l’évolution anarchique durant la période d'instabilité politique en Algérie. Cette recherche vise de combler une double lacune : la genèse spatiale et morphologique de l’habitat populaire auto- construit dans les Aurès. C’est de comprendre le propre de l’architecture populaire, à Menaa comme à Bouzina, qui est en évolution continue, voir même, s’il fait rupture ou il est objet de certaines constances. Le premier objectif est d’éclairer ces permanences et mutations au niveau de sa spatialité, et tenter de comprendre, si cet habitat auto-construit, à l'inverse à ce que laisse apparaître ses façades, qu’on pourrait identifier comme génotypes architectural. Et si, ces génotypes architecturaux entretenaient une quelconque relation avec l'architecture de l’habitat traditionnel locale ou autre. La démarche se réfère à la dimension spatiale, en premier temps, suivant le produit de chaque époque : traditionnel, colonial, et contemporain. En deuxième temps, le niveau morphologique est à saisir au niveau dimensionnel. Deux approche analytique sont exploitées dans cette recherche la première est la syntaxe spatiale, de fondements mathématiques, développée par Hillier et Hanson (1984) qui est un ensemble de techniques pour la représentation, la quantification et l’interprétation de la configuration spatiale. La deuxième, est typomorphologique en rapport avec l’aspect dimensionnel : l’empreinte au sol (largeur de la façade principale et la profondeur) et la hauteur. Les maisons sont analysées une à une, afin d’apporter des éléments de réponses à la question : quelle est la genèse spatiale et morphologique de l’habitat auto-construit dans les Aurès ? Les résultats sont ensuite rapprochés et comparés de façon plus systématique, fourniront substance à des propositions d’interprétation. La récurrence de certains traits est capturée comme indice génotypique, traiter en conséquence les particularités architecturales comme des phénotypes. L’empreinte méthodologique combinée a permet de comprendre l'impact des pratiques codifiées de chaque usager, sur le cadre bâti dans sa totalité, spatiale et morphologique. Cela tracera de nouvelles perspectives pour la conception d’un habitat endogène appropri

Rôle(s) des motivations naturelles dans la prise décision (bases neurobiologiques et comportementales)

La prise de décision est un processus indispensable et vital pour les mammifères. Elle permet à l individu de s adapter aux changements qui s opèrent dans son environnement et résulte de l intégration d informations sensorielles, émotionnelles, motivationnelles et exécutives (qui peuvent être internes ou externes à l individu). Des études, à la fois chez le sujet humain (sujet sain, patients cérébrolésés ou atteints de pathologies psychiatriques), et sur les modèles animaux singe, rats ou souris, ont permis d identifier le cortex préfrontal comme acteur crucial dans ces processus exécutifs complexes. La mise en place au sein de notre laboratoire d un test d interaction sociale permettant de générer des prises de décision rapides et adaptées en présence d un congénère nouveau, nous a permis d étudier les bases neurobiologiques et comportementales sous-jacentes à la prise de décision et à la flexibilité comportementale. Il est connu que les rongeurs émettent des USVs dont le rôle et les mécanismes motivationnels et/ou émotionnels restent largement inconnus à ce jour. Mon travail de thèse repose principalement sur l identification des acteurs cérébraux de cette interaction sociale, et sur le rôle putatif des USVs. D autre part, je me suis employé à comprendre comment les motivations naturelles (telles que la nourriture, l exploration d objet ou de l environnement, et l interaction avec un congénère) sont intégrées au canevas de prise de décision et comment elles l influencent.Dans un premier temps, en utilisant des procédures d imagerie cellulaire basée sur l expression de gènes précoces (c-fos), et ce, à la fois chez des animaux contrôles et chez des animaux présentant des troubles des comportements sociaux (b2KO), nous avons pu mettre en évidence l implication différentielle de sous-parties du cortex préfrontal chez la souris. Par la suite, la mise en place d un logiciel spécifique d analyse, ainsi que la modulation de l état de motivation de l animal lors de la tâche d interaction sociale, nous a permis de mieux comprendre l établissement de comportements adaptés lors de l interaction sociale. Pour finir, en variant les contextes comportementaux, nous avons montré qu il existe une relation étroite entre état émotionnel et motivationnel de l animal et émission d USVs. Notamment, les USVs semblent porter une information spécifique lors de l interaction sociale qui reste encore largement à déterminer.Decision-making is one of the most essential process for mammals. It allows the individual to adapt to environmental changes by the integration of sensory, emotional, motivational and executive information. Numerous studies, in human subject (healthy or not), and on animal models like monkey, rats or mice, have allowed the identification of a major actor in these complex processes: the prefrontal cortex. In our laboratory, we set up a new test, called the social interaction task -SIT-, to generate quick and adapted decision-making in presence of a new congener. This task was used to dissect neural and behavioral bases underlying decision-making and behavioral flexibility during social interaction. It is well known now that rodents emit ultrasonic vocalizations -USVs-, of which roles and mechanisms (motivational or emotional) remain largely unknown. My work was devoted to the identification of brain structures that allow flexible social interactions, and to the unraveling of the putative role(s) of USVs during SIT. I also tried to understand how natural motivations (like social interaction, exploration, and food consumption) take part in the decision-making process.First, by using cellular imaging procedure based on the expression of immediate early genes (c-fos): we were able to highlight the differential involvement of sub-areas of the prefrontal cortex in mice. Subsequently, the development of a new specific software, and the ability to modulate the motivational state of the animal, enabled us to understand better the establishment of adapted behaviors during the SIT. Finally, by varying behavioral contexts, we found a tight relationship between emotional/motivational states and USVs emissions. Notably, USVs appear to carry specific information in social interaction, and this point largely remains to be determined.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF