A Practical and Practice-Sensitive Account of Science as Problem-Solving

Philosophers of science have recently begun to pay more attention to scientific practice, moving away from the discipline’s focus on theories. The creation of the Society for Philosophy of Science in Practice in 2006, as well as the emergence of scholarship on experimental practice (e.g. Sullivan 2009; 2010; 2016) as well as on the tools scientists use to construct explanations and theories (e.g. Feest 2011) all point to a disciplinary shift towards a more practice-conscious philosophy of science. In addition, scholars are realizing the potential social relevance of philosophy of science and identifying the obstacles that stand in the way of realizing said potential (e.g. Douglas 2010). The aim of this dissertation is to propose a novel descriptive framework for philosophy of science, one that rests on the idea that scientific practice should be described as accurately as possible so that philosophical discussions of science rest on a solid descriptive base and can more easily be of use in engaging users and practitioners of science. The dissertation is organized along the stages of developing what I call the dynamic-iterative model of scientific practice. In chapter 1, I clarify the project’s philosophical background and outline six conditions of adequacy on a descriptive model of science. These conditions allow me to evaluate the three descriptive models reviewed in chapter 2. Chapter 3 combines Nickles’ problem-solving view of science (1981) with core insights from the heuristics and biases literature into a workable version of the dynamic-iterative model. I then apply the model to the case of place cell research in chapter 4 as a test of the model’s usefulness and applicability. In chapter 5 I evaluate the model with respect to my six conditions and assess its strengths and weaknesses. The dynamic-iterative model is a flexible descriptive framework that not only allows for more complete philosophical analyses of cases than other current models, but also supports important practical applications

Amélioration de la résolution latérale en microscopie SPR/MCWG par reconstruction d'images

Les recherches pharmacologiques nécessitent des outils d'analyse capables de caractériser et d'étudier des structures ou phénomènes biologiques. Une plate-forme de microscopie exploitant la résonance de plasmons de surface permet de faire l'acquisition d'images étudiant des phénomènes au niveau de cellules individuelles. Les images acquises par ce type de plate-forme présentent la variation d'indice de réfraction du milieu observé en couplant une lumière incidente aux plasmons de surface à l'interface d'un métal et d'un diélectrique. La faible résolution latérale de ces images ne permet cependant pas d'en distinguer tous les détails. Cette limite de résolution est associée aux propriétés de l'onde de surface qui entraînent une dégradation de l'image par l'étalement directionnel de l'information sur plusieurs pixels. De nombreux groupes de recherche ont travaillé sur ce problème de résolution en explorant des alternatives matérielles, que ce soit au niveau du montage d'acquisition ou des échantillons. Cependant, ceux-ci ont dû faire certains compromis afin d'améliorer la résolution latérale occasionnant une limitation en résolution temporelle ou en indice de réfraction. L'approche préférée dans ce projet de maîtrise est l'utilisation de techniques de post-traitement des images (déconvolution, algorithme de reconstruction d'images) acquises par le système de microscopie. Cette approche permet de conserver un bon contraste dans les images acquises et une bonne résolution temporelle. Ce projet vise à améliorer la résolution latérale en microscopie de résonance de plasmons de surface (SPR) en utilisant un algorithme de reconstruction d'images. Une méthode comme celle-ci n'a jamais été exploitée pour résoudre ce problème de limitation en résolution. Dans ce projet, une image de meilleure résolution est obtenue en combinant l'information pertinente de plusieurs images où la direction d'excitation des plasmons de surface diffère. Ces images sont acquises à partir d'échantillons de guides d'ondes à gaine métallique (MCWG) dont les matériaux et structures sont connus. Ceux-ci sont composés de quatre couches et ont tout d'abord été fabriqués. Ces échantillons ont permis l'acquisition d'images de structures dont les dimensions et les paramètres sont connus. Un algorithme de restauration d'images a été développé et implémenté pour retirer la dégradation linéaire observée dans les images de microscopie SPR acquises. Celui-ci détermine l'information nécessaire à l'exécution de l'algorithme à partir des images acquises, et améliore la résolution en microscopie SPR par une opération logicielle ne faisant pas de compromis au niveau matériel. L'algorithme a été validé auprès des échantillons MCWG dont la couche diélectrique est composée de structures synthétiques ou de cellules biologiques. Une amélioration de 6 à 1 micromètres sur structures synthétiques a été démontrée, tandis que le traitement permet de distinguer des détails des images cellulaires qui n'étaient pas identifiables avant. Ainsi, grâce à cette amélioration de la résolution, l'application de cet algorithme facilitera l'étude et le développement de nouveaux médicaments pharmacologiques

Hétérogénéité de la connaissance et pratique scientifique : rôle explicatif et implications épistémologiques de la psychologie évolutionniste et de la neuropsychologie de la vision

Ce mémoire est consacré à une question centrale en épistémologie, soit celle du niveau descriptif approprié à l'étude de la connaissance (ou, simplement, de la nature de la connaissance). L'auteur remet en question la forme « traditionnelle » des solutions proposées à ce problème par les deux principaux courants de l'épistémologie naturalisée. En effet, les théories de la connaissance naturalistes optent généralement pour l'une de deux possibilités : soit la connaissance est adéquatement étudiée au niveau phrastique, soit au niveau du substrat physique (souvent, il s'agit du niveau neurologique). L'intention est de fournir une caractérisation de la connaissance sous forme d'« espèce naturelle ». Le présupposé implicite à ces propositions est qu'il n'existe qu'une seule « Connaissance », que celle-ci a une nature unique. Toutefois, les critiques adressées au « paradigme » phrastique suggèrent que celui-ci est insuffisant au plan explicatif parce que, 1) il ne s'applique directement qu'à une infime partie de l'ensemble des organismes pouvant avoir des états épistémiques et 2) parce qu'il repose sur des notions superficielles, issues de la psychologie du sens commun, qui doivent être éliminées (Churchland 1979, 1989, 2007). Ces approches se heurtent également à un problème explicatif lorsqu'il est question des formes de connaissance reposant sur la capacité pour le langage (telles que les définitions). Pour expliquer le phénomène de la connaissance il est nécessaire d'avoir recours à (au moins) ces deux approches. Par conséquent, la forme moniste de la solution au problème de la nature de la connaissance semble être inappropriée. L'objectif du mémoire est de défendre cette thèse. Il s'agit d'un travail métathéorique qui constitue la première étape d'un projet à plus grande échelle visant à développer une conception hétérogène de la connaissance. Le mémoire comporte trois chapitres : 1) Le premier chapitre vise à mettre en place les fondements de l'argument développé. Il détaille deux exemples d'approches hétérogènes tirées de la philosophie de la psychologie et en tire un plan général pour le développement d'un argument en faveur de l'hétérogénéité de la connaissance. 2) Le second chapitre procède à une analyse métathéorique des approches naturalistes à la connaissance. Ceci permet de formuler l'argument de nécessité explicative à l'endroit de la connaissance, central au mémoire. 3) Le troisième chapitre fournit un support empirique à la prémisse centrale de l'argument de nécessité explicative. L'argument est ensuite réitéré, et ses implications son détaillées. Est ensuite proposée une première, et provisoire, ébauche d'une conception hétérogène de la connaissance.\ud ______________________________________________________________________________ \ud MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Épistémologie naturalisée, psychologie, neuropsychologie, connaissanc

Nanostructuration de surface pour l’imagerie à résonance de plasmons de surface de haute résolution

En recherche pharmacologique, les cellules vivantes sont largement utilisées comme modèles d’analyse pour l’étude de phénomènes biologiques, par exemple l’apoptose et la réponse cellulaire à des stimuli biologiques. Différents outils de caractérisation sont développés pour analyser et traduire l’information biologique en information quantifiable. L’imagerie à résonance de plasmons de surface (SPR) est sensible aux variations d’indice de réfraction d’un milieu à l’interface d’une couche métallique. Elle trouve beaucoup d’applications en biologie cellulaire et en pharmacologie, car elle permet l’acquisition d’images en temps réel et ne nécessite pas de marquage biologique comme en fluorescence. Cependant, la nature propagative des plasmons de surface (PSP) limite la résolution spatiale en entraînant un étalement de l’information dans la direction de propagation des PSP. Cela signifie qu’il est difficile de résoudre spatialement des détails inférieurs à la distance de propagation des PSP, pouvant atteindre des dizaines de micromètres. Plusieurs groupes de recherche travaillent à améliorer la résolution spatiale en imagerie SPR. Toutefois, bien que des résolutions spatiales inférieures à cette distance de propagation ont été obtenues, cela a été au prix de compromis importants, en particulier une plus grande complexité dans l’acquisition des images et donc une diminution de la résolution temporelle, ou une perte significative de sensibilité. Ce projet de thèse s’insère dans cette problématique en concevant et réalisant des dispositifs plasmoniques permettant d’améliorer la résolution spatiale en imagerie SPR, tout en minimisant les compromis avec les autres paramètres d’imagerie. Ces puces SPR sont composées de surfaces métalliques nanostructurées dont le mode guidé combine les propriétés des plasmons propagatifs et des plasmons localisés. Des modélisations numériques ont permis de démontrer comment la géométrie des surfaces nanostructurées peut être optimisée de manière à réduire la longueur d’atténuation du mode plasmonique tout en conservant un fort contraste d’imagerie. Une géométrie optimale a été identifiée et des résolutions spatiales de l’ordre du micromètre ont été observées à l’aide de ces puces SPR nanostructurées optimisées. Les résultats expérimentaux ont montré une réduction de la propagation d’un facteur de 6.3 comparativement à des surfaces métalliques uniformes. Les performances en imagerie des puces SPR nanostructurées ont été validées par des études de réponses cellulaires suite à une stimulation de nature biochimique, notamment dans l’étude de changements d’intégrité de couches confluentes de cellules. La génération de défauts dans la couche cellulaire suite à la stimulation a été quantifiée dans le temps et s’est montrée amplifiée par l’utilisation des puces SPR nanostructurées. L’amélioration de la résolution spatiale a résulté en une augmentation de la sensibilité de détection à l’activité cellulaire. De plus, aucunes perturbations au niveau du comportement des cellules n’a été observée par la présence de nanostructures. Finalement, l’étude de la morphologie de cellules au cytosquelette fortement organisé a permis d’observer des structures subcellulaires et de suivre la réorganisation du cytosquelette de cellules individuelles. Les puces SPR nanostructurées conçues et réalisées au cours de cette thèse montrent donc un fort potentiel d’applications en imagerie sans marquage de cellules vivantes.Abstract: In pharmacological research, living cells are widely used as sensing models for biological studies, such as cell apoptosis and cellular response to biological stimuli. Different optical characterization systems were developed to analyze and quantify biological information. Surface plasmon resonance (SPR) imaging is sensitive to minute refractive index variations occurring in a medium at the proximity of a metal layer. It has found many applications in cellular biology and in pharmacology since it allows the real-time image acquisition and does not require biological labeling like for fluorescence. However, the propagative nature of surface plasmons (PSPs) limits the spatial resolution by blurring the information in the direction of propagation of the PSPs. This means that it is difficult to spatially resolve details smaller than the attenuation length of the PSPs, generally of the order of tens of micrometers. Several research groups have worked on this limitation in order to improve the spatial resolution in SPR imaging. However, although spatial resolutions lower than that of the propagation have been obtained, those techniques require important compromises, such as an added complexity in the image acquisition which leads to a loss in temporal resolution or a significant reduction in sensitivity. In this thesis project, plasmonic devices were designed and characterized in order to improve spatial resolution in SPR imaging, while minimizing compromises with other imaging parameters. These SPR chips are composed of nanostructured metal surfaces where the guided mode combines the properties of propagative plasmons and localized plasmons. An in-house numerical modeling software has demonstrated how the geometry of nanostructured surfaces can be optimized to reduce the attenuation length of the plasmonic mode, while maintaining a high imaging contrast. An optimum geometry was identified, and micron-sized spatial resolution have been observed using the optimized nanostructured SPR chips. Experimental results showed a reduction in propagation by a factor of 6.3 compared to uniform metal surfaces. The imaging performances of nanostructured SPR chips were assessed by studying cellular responses following biochemical stimulation, in particular by real-time monitoring of integrity changes in confluent endothelial cell layer. The formation of defects in the cell layer following stimulation has been quantified over time and was seen amplified by the use of the nanostructured SPR chips. The improvement in spatial resolution has resulted in an increase in detection sensitivity to cellular activity. In addition, no disturbances in the behavior of the cells were observed due to the presence of nanostructures. Finally, the study of morphology in highly linear cytoskeleton cells enabled the observation of subcellular structures and the monitoring of cytoskeleton reorganization in individual cells. The nanostructured SPR chips designed and realized during this thesis show a strong potential label-free live cell imaging

Amélioration de la résolution latérale en microscopie SPR/MCWG par reconstruction d'images

Les recherches pharmacologiques nécessitent des outils d'analyse capables de caractériser et d'étudier des structures ou phénomènes biologiques. Une plate-forme de microscopie exploitant la résonance de plasmons de surface permet de faire l'acquisition d'images étudiant des phénomènes au niveau de cellules individuelles. Les images acquises par ce type de plate-forme présentent la variation d'indice de réfraction du milieu observé en couplant une lumière incidente aux plasmons de surface à l'interface d'un métal et d'un diélectrique. La faible résolution latérale de ces images ne permet cependant pas d'en distinguer tous les détails. Cette limite de résolution est associée aux propriétés de l'onde de surface qui entraînent une dégradation de l'image par l'étalement directionnel de l'information sur plusieurs pixels. De nombreux groupes de recherche ont travaillé sur ce problème de résolution en explorant des alternatives matérielles, que ce soit au niveau du montage d'acquisition ou des échantillons. Cependant, ceux-ci ont dû faire certains compromis afin d'améliorer la résolution latérale occasionnant une limitation en résolution temporelle ou en indice de réfraction. L'approche préférée dans ce projet de maîtrise est l'utilisation de techniques de post-traitement des images (déconvolution, algorithme de reconstruction d'images) acquises par le système de microscopie. Cette approche permet de conserver un bon contraste dans les images acquises et une bonne résolution temporelle. Ce projet vise à améliorer la résolution latérale en microscopie de résonance de plasmons de surface (SPR) en utilisant un algorithme de reconstruction d'images. Une méthode comme celle-ci n'a jamais été exploitée pour résoudre ce problème de limitation en résolution. Dans ce projet, une image de meilleure résolution est obtenue en combinant l'information pertinente de plusieurs images où la direction d'excitation des plasmons de surface diffère. Ces images sont acquises à partir d'échantillons de guides d'ondes à gaine métallique (MCWG) dont les matériaux et structures sont connus. Ceux-ci sont composés de quatre couches et ont tout d'abord été fabriqués. Ces échantillons ont permis l'acquisition d'images de structures dont les dimensions et les paramètres sont connus. Un algorithme de restauration d'images a été développé et implémenté pour retirer la dégradation linéaire observée dans les images de microscopie SPR acquises. Celui-ci détermine l'information nécessaire à l'exécution de l'algorithme à partir des images acquises, et améliore la résolution en microscopie SPR par une opération logicielle ne faisant pas de compromis au niveau matériel. L'algorithme a été validé auprès des échantillons MCWG dont la couche diélectrique est composée de structures synthétiques ou de cellules biologiques. Une amélioration de 6 à 1 micromètres sur structures synthétiques a été démontrée, tandis que le traitement permet de distinguer des détails des images cellulaires qui n'étaient pas identifiables avant. Ainsi, grâce à cette amélioration de la résolution, l'application de cet algorithme facilitera l'étude et le développement de nouveaux médicaments pharmacologiques