Tractographie de la matière blanche par réseaux de neurones récurrents

La matière blanche du cerveau fait encore l'objet de nombreuses études. Grâce à l'IRM de diffusion, on peut étudier de façon non invasive la connectivité du cerveau avec une précision sans précédent. La reconstruction de la matière blanche --- la tractographie --- n'est pas parfaite cependant. En effet, la tractographie tend à reconstruire tous les chemins possibles au sein de la matière blanche; l'expertise des neuroanatomistes est donc requise pour distinguer les chemins qui sont possibles anatomiquement de ceux qui résultent d'une mauvaise reconstruction. Cette connaissance est difficile à exprimer et à codifier sous forme de règles logiques. L'intelligence artificielle a refait surface dans les années 1990 --- suite à une amélioration remarquable de la vitesse des processeurs --- en tant que solution viable à plusieurs problèmes qui étaient considérés comme fondamentalement > et quasi impossibles à résoudre pour une machine. Celle-ci représente un outil unique pour intégrer l'expertise des neuroanatomistes dans le processus de reconstruction de la matière blanche, sans avoir à fournir de règles explicitement. Un modèle peut ainsi apprendre la définition d'un chemin valide à partir d'exemples valides, pour ensuite reproduire ce qu'il a appris, sans répéter les erreurs classiques. Plus particulièrement, les réseaux de neurones récurrents sont une famille de modèles créés spécifiquement pour le traitement de séquences de données. Comme une fibre de matière blanche est représentée par une séquence de points, le lien se fait naturellement. Malgré leur potentiel énorme, l'application des réseaux récurrents à la tractographie fait face à plusieurs problèmes techniques. Cette thèse se veut très exploratoire, et détaille donc les débuts de l'utilisation des réseaux de neurones récurrents pour la tractographie par apprentissage, des problèmes qui sont apparus suite à la création d'une multitude d'algorithmes basés sur l'intelligence artificielle, ainsi que des solutions développées pour répondre à ces problèmes. Les résultats de cette thèse ont démontré le potentiel des réseaux de neurones récurrents pour la reconstruction de la matière blanche, en plus de contribuer à l’avancement du domaine grâce à la création d’une base de données publique pour la tractographie par apprentissage

Effet de l’encombrement visuel de l’écran primaire de vol sur la performance du pilote, la charge de travail et le parcours visuel

RÉSUMÉ : Le poste de pilotage d’un avion de ligne du XXIe siècle ne ressemble pas à celui que les frères Wright ont occupé lors de leur premier vol. En effet, la croissance accélérée de l’aviation civile a entrainé une augmentation et une complexification des instruments de vol du poste de pilotage afin de compléter le vol en toute sécurité et dans les temps prévus. Or, présenter au pilote une abondance d’information visuelle par l’entremise d’instruments de vol visuellement encombrés risque de diminuer sa performance de vol. La thématique de l’encombrement visuel des écrans a reçu un intérêt croissant de la communauté aéronautique qui cherche à connaître les effets de la densité et de la surcharge d’information sur le travail des pilotes. La réglementation aérienne demande de minimiser l’encombrement visuel des écrans du poste de pilotage. Les études précédentes sur le sujet ont trouvé un effet mixte de l’encombrement visuel de l’écran primaire de vol sur la performance technique de vol des pilotes. D’autres recherches s’avéraient donc nécessaire pour mieux comprendre ce phénomène. Dans cette thèse, nous avons réalisé une étude expérimentale dans un simulateur de vol afin d’étudier les effets de l’encombrement visuel de l’écran primaire de vol sur la performance du pilote, sa charge mentale de travail et son parcours visuel. Tout d’abord, nous avons identifié une lacune dans les définitions existantes de l’encombrement visuel d’un affichage et nous avons proposé une nouvelle définition pertinente pour le milieu aéronautique qui tient compte du contexte d’utilisation de l’affichage. Ensuite, nous avons montré que les études précédentes sur l’effet de l’encombrement visuel de l’écran primaire de vol sur la performance des pilotes ont mal isolé la variable d’encombrement visuel en manipulant celle-ci en même temps que la fonction de guidage de l’appareil. L’utilisation d’une fonction de guidage différente entre les affichages peut avoir masquée l’effet de l’encombrement visuel sur la performance du pilote. Pour résoudre ce problème, nous avons proposé trois exigences que tous les affichages à l’étude doivent satisfaire afin d’assurer que seule la variable d’encombrement visuelle est manipulée durant l’étude en laissant intouchées les autres variables. Ensuite, nous avons conçu trois écrans primaires de vol ayant un niveau d’encombrement visuel différent (faible, modéré, élevé) mais la même fonction de guidage, en respectant les exigences mentionnées ci-dessus. Douze pilotes, comptant en moyenne plus de 4000 heures de vol, ont complété une approche aux instruments dans un simulateur de vol en utilisant chacun des écrans pour un total de neuf répétitions. Les principaux résultats montrent que les pilotes ont rapporté un niveau de charge mentale de travail inférieure et ont obtenu une meilleure précision latérale durant l’approche en utilisant l’écran ayant un niveau modéré d’encombrement visuel comparativement aux écrans ayant un niveau faible et un niveau élevé d’encombrement visuel. Les pilotes ont aussi jugé que l’écran modérément encombré a été le plus utile pour la tâche de vol comparativement aux deux autres écrans. Les résultats d’oculométrie montrent que l’efficience du parcours visuel du pilote a diminué pour l’écran ayant un encombrement élevé comparativement aux écrans ayant un encombrement faible et un encombrement modéré. Globalement, ces nouveaux résultats expérimentaux révèlent la pertinence d’optimiser l’encombrement visuel des affichages de vol, car il affecte la performance objective et subjective de pilotes expérimentés dans la tâche de vol. La thèse se conclut avec des recommandations pratiques visant à permettre aux concepteurs d’optimiser l’encombrement visuel des écrans dans les interfaces humain-machine.----------ABSTRACT : Flight deck of 21st century commercial aircrafts does not look like the one the Wright brothers used for their first flight. The rapid growth of civilian aviation resulted in an increase in the number of flight deck instruments and of their complexity, in order to complete a safe and on- time flight. However, presenting an abundance of visual information using visually cluttered flight instruments might reduce the pilot’s flight performance. Visual clutter has received an increased interest by the aerospace community to understand the effects of visual density and information overload on pilots’ performance. Aerospace regulations demand to minimize visual clutter of flight deck displays. Past studies found a mixed effect of visual clutter of the primary flight display on pilots’ technical flight performance. More research is needed to better understand this subject. In this thesis, we did an experimental study in a flight simulator to test the effects of visual clutter of the primary flight display on the pilot’s technical flight performance, mental workload and gaze pattern. First, we identified a gap in existing definitions of visual clutter and we proposed a new definition relevant to the aerospace community that takes into account the context of use of the display. Then, we showed that past research on the effects of visual clutter of the primary flight display on pilots’ performance did not manipulate the variable of visual clutter in a similar manner. Past research changed visual clutter at the same time than the flight guidance function. Using a different flight guidance function between displays might have masked the effect of visual clutter on pilots’ performance. To solve this issue, we proposed three requirements that all tested displays must satisfy to assure that only the variable of visual clutter is changed during study while leaving other variables unaffected. Then, we designed three primary flight displays with a different visual clutter level (low, medium, high) but with the same flight guidance function, by respecting the previous requirements. Twelve pilots, with a mean experience of over 4000 total flight hours, completed an instrument landing in a flight simulator using all three displays for a total of nine repetitions. Our results showed that pilots reported lower workload level and had better lateral precision during the approach using the medium-clutter display compared to the low- and high-clutter displays. Also, pilots reported that the medium-clutter display was the most useful for the flight task compared to the two other displays. Eye tracker results showed that pilots’ gaze pattern was less efficient for the high-clutter display compared to the low- and medium-clutter displays. Overall, these new experimental results emphasize the importance of optimizing visual clutter of flight displays as it affects both objective and subjective performance of experienced pilots in their flying task. This thesis ends with practical recommendations to help designers optimize visual clutter of displays used for man-machine interface

Random SchrÜdinger operators of Anderson type with generalized Laplacians and sparse potentials

The first part of the thesis concerns Green's functions of discrete Laplacians on lattices. In the continuous case, it is well known that the corresponding Green's functions decay polynomially. However, an identical proof of this fact fails in the discrete case, since the constant energy surfaces of the discrete Laplacian are not convex. Two approaches are presented to turn around this problem. One consists of adapting the stationary phase method in order to treat non convex surfaces admitting kappa > 0 non vanishing principal curvatures at each point; as suggested by Littman. The other consists of changing the discretization of the Laplacian, as suggested by Molchanov and Vainberg.The second part of the thesis concerns random Schrodinger operators of type Anderson on the d-dimensional lattice. Sufficient conditions are presented for such operators, H = Delta + V, to satisfy almost surely the following, remarkable spectral and scattering properties: (1) Outside spec(Delta), the spectrum of H is pure point with exponentially decaying eigenfunctions (so-called Anderson localization). Examples where the spectrum of H is equal to the whole real line are also exhibited, in which case the eigenvalues of H are in addition dense in R \spec(Delta); (2) Inside spec(Delta), the spectrum of H is purely absolutely continuous (so-called delocalization); (3) Inside spec(Delta), the wave operators between H and Delta exist and are complete. Such Anderson operators are exhibited for the first time in the literature. Using the estimate of the first, part of the thesis, the mentioned sufficient conditions appear to be sparseness conditions on the support of the potential

Orientational order of carbon nanotube guests in a nematic host suspension of colloidal viral rods

In order to investigate the coupling between the degrees of alignment of elongated particles in binary nematic dispersions, surfactant stabilized single-wall carbon nanotubes (CNTs) have been added to nematic suspensions of colloidal rodlike viruses in aqueous solution.We have independently measured the orientational order parameter of both components of the guest-host system by means of polarized Raman spectroscopy and by optical birefringence, respectively. Our system allows us therefore to probe the regime where the guest particles (CNTs) are shorter and thinner than the fd virus host particles. We show that the degree of order of the CNTs is systematically smaller than that of the fd virus particles for the whole nematic range. These measurements are in good agreement with predictions of an Onsager-type second-viral theory, which explicitly includes the flexibility of the virus particles, and the polydispersity of the CNTs.Comment: 5 pages, 2 figure