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Doctorat en Sciences, info:eu-repo/semantics/nonPublished

La construction du nid chez les fourmis génère des structures assumant de nombreuses fonctions, qui sont en grande partie dépendantes de l’architecture produite. L’omniprésence de ces fonctionnalités contraste avec la forte diversité intra et inter-spécifique de la morphologie du nid.Ce travail a pour objectifs de déterminer d’une part la morphogenèse du nid durant son excavation par les fourmis (Chapitre 3), et d’autre part de quantifier l’impact de la taille du groupe (Chapitre 3) et de la qualité de l’environnement (qualité du matériau, gravité; Chapitres 4 & 5) sur cette séquence. Pour répondre à ces questions, nous avons utilisé un dispositif de creusement en deux dimensions (2D) afin de suivre la dynamique d’excavation et l’évolution de la morphologie du nid au cours du temps.Nous avons tout d’abord mis en évidence (Chapitre 3) un changement brutal de la morphologie du nid au cours de sa croissance. Durant une première période d’excavation homogène, le nid est constitué d’une seule cavité de forme circulaire et au contour régulier. Par la suite, le pourtour de la cavité devient plus irrégulier, l’apparition de ‘‘bourgeons’’ lui donnant une apparence plus plissée. Enfin, la cavité centrale cesse de croître lorsque des ramifications se déploient depuis certains des ‘‘bourgeons’’. Nous avons qualifié de transitions morphologiques ces brusques changements de forme, dont la fréquence d’apparition augmente avec la taille de la population.Notre analyse et le recours à la simulation semblent indiquer que ce phénomène soit basé non pas sur un changement de comportement des ouvrières excavatrices mais sur la densité d’activité au front de creusement. Lorsque celle-ci est importante, des phénomènes d’encombrement se manifestent et le nid est excavé de manière homogène. À l’inverse, lorsque l’encombrement diminue les ouvrières peuvent focaliser leur travail et excavent des galeries. Un modèle analytique (Chapitre 6) a permis d’étudier les conditions d’apparition de cette transition morphologique.Nos autres résultats indiquent que le matériau de construction influence très fortement la morphogenèse du nid (Chapitre 4) :les nids excavés dans un milieu cohésif sont plus fréquemment ramifiés et la transition morphologique apparaît à des surfaces de nid plus petites que dans un milieu granulaire. Il semblerait qu’à nouveau, il n’y ait aucune variation comportementale impliquée, mais que l’environnement joue un rôle de ‘‘médiateur’’ des interactions entre les fourmis: le milieu change le temps d’extraction et donc la probabilité individuelle d’excavation, cette variation est exacerbée par les mécanismes d’amplification à l’œuvre, modifiant alors sensiblement la dynamique collective de creusement et la structure du nid.Enfin, une série d’expériences (Chapitre 5) nous a permis de déterminer l’influence de la gravité sur la morphogenèse. Il apparait que la gravité sert de gabarit à la construction, puisque les nids excavés dans un dispositif à l’orientation verticale sont tous dirigés vers le bas. Aussi, si le nid prend directement une forme de long puit vertical sans jamais présenter de chambre, le mécanisme de transition morphologique reste visible, sous forme de bifurcation des galeries à leur extrémités. Ce phénomène de tip-splitting semble aussi apparaître sous la contrainte de la densité d’ouvrières excavant au fond des galeries.Notre travail a donc mis en évidence un phénomène de transition morphologique capable de produire les modules de base de tout nid - chambres et galeries -, et qui semble découler non pas de modifications comportementales, mais de la seule interaction de l’amplification de l’activité et de l’encombrement au front d’excavation. Ce phénomène ubiquiste propose une explication à la grande variété de structures observées sur le terrain, en lien notamment avec la diversité et l’hétérogénéité des milieux, et la dynamique des colonies. Enfin, les similitudes de la transition morphologique avec les instabilités de croissance observées dans de nombreux systèmes biologiques et physico-chimique invitent à considérer ces derniers phénomènes à la lumière de nos résultats., Doctorat en Sciences, info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le travail présenté ici porte sur l’étude de la production et du transport du monoxyde d’azote (NO) dans le poumon humain. Le NO est une molécule dont l’implication dans des processus physiologiques n’a été mis en évidence qu’en 1987. Depuis, il a été démontré que le NO joue de nombreux rôles dans le corps humain. Le NO est un gaz labile (instable) dans les conditions physiologiques, il diffuse très facilement au travers des parois et il a une grande affinité pour l’hémoglobine. La production du NO est liée à 3 isoformes différentes de la protéine appelées synthases du NO ou NO synthases. En 1991, Gustafsson et al. ont découvert du NO endogène (produit par les poumons) dans l’air exhalé chez l’homme et le cochon d’Inde. Depuis près de 15 ans, de plus en plus de groupes de recherche travaillent sur le NO pulmonaire sans s’accorder sur ses rôles exactes. Il est cependant établit que, dans les pathologies comme l’asthme, la production accrue de NO est liée aux processus inflammatoires. Le NO peut être produit par la surface épithéliale (au niveau des conduits pulmonaires) ou alvéolaire, mais les sites exactes de production sont encore débattus. De part l’impossibilité de mesures directes au-delà des premières générations de l’arbre bronchique, les modèles mathématiques sont indispensables pour interpréter les résultats de mesures de concentrations exhalées et étudier la production et le transport du NO dans le poumon. Récemment, un modèle a été proposé par notre groupe, tenant compte de la convection, de la diffusion moléculaire et de la production du NO dans le poumon. Le but de ce travail est d’utiliser et d’adapter ce modèle pour reproduire des résultats expérimentaux soit existants, soit originaux. Dans ce travail, nous montrons que l’augmentation de concentration alvéolaire chez des sujets asthmatiques bien contrôlés est liée à une augmentation de production dans les conduits et non dans les alvéoles. Nous montrons également que, sur base de résultats expérimentaux, la production bronchique dans le poumon des sujets sains doit être très hétérogène pour reproduire des résultats expérimentaux apparemment irréconciliables. Nous montrons enfin que la localisation des conduits pulmonaires subissant une constriction influence la chute de NO exhalé mesurée après cette constriction. Nous avons également participé à 2 expériences liées à la gravité qui constitueront le matériel susceptible de faire évoluer le modèle., Doctorat en sciences, Spécialisation physique, info:eu-repo/semantics/published

In this thesis, we investigate the problem of path formation and prey retrieval in a swarm of robots. We present two swarm intelligence control mechanisms used for distributed robot path formation. In the first, the robots form linear chains. We study three variants of robot chains, which vary in the degree of motion allowedto the chain structure. The second mechanism is called vectorfield. In this case,the robots form a pattern that globally indicates the direction towards a goal orhome location. Both algorithms were designed following the swarm robotics controlprinciples: simplicity of control, locality of sensing and communication, homogeneityand distributedness.We test each controller on a task that consists in forming a path between twoobjects—the prey and the nest—and to retrieve the prey to the nest. The difficultyof the task is given by four constraints. First, the prey requires concurrent, physicalhandling by multiple robots to be moved. Second, each robot’s perceptual rangeis small when compared to the distance between the nest and the prey; moreover,perception is unreliable. Third, no robot has any explicit knowledge about theenvironment beyond its perceptual range. Fourth, communication among robots isunreliable and limited to a small set of simple signals that are locally broadcast.In simulation experiments we test our controllers under a wide range of conditions,changing the distance between nest and prey, varying the number of robotsused, and introducing different obstacle configurations in the environment. Furthermore,we tested the controllers for robustness by adding noise to the different sensors,and for fault tolerance by completely removing a sensor or actuator. We validate thechain controller in experiments with up to twelve physical robots. We believe thatthese experiments are among the most sophisticated examples of self-organisationin robotics to date., Doctorat en Sciences de l'ingénieur, info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les neurones sont des cellules excitables capables de coder et transmettre l’information sous forme d’oscillations du potentiel membranaire. Cette activité électrique est produite par une modification des flux ioniques transmembranaires. Les neurones constituent un exemple d’oscillateur cellulaire dont la dynamique non linéaire permet l’apparition d’une activité électrique complexe. Dans ce système, les ions calciques sont des messagers intracellulaires importants. Ils servent de médiateur entre un signal électrique et un signal chimique, par une modulation de l’activité enzymatique de certaines protéines. Ils interviennent dans de nombreuses fonctions neuronales, dont l’excitabilité électrique. Un des mécanismes mis en place par les neurones pour contrôler l’homéostasie du calcium intracellulaire provient de protéines cytoplasmiques capables de lier les ions calciques. Ces protéines jouent un rôle de « tampon » du calcium. Cependant, toutes leurs fonctions n’ont pas encore été mises en évidence. C’est l’objectif de notre travail. Nous avons voulu comprendre le rôle joué par une protéine « tampon » particulière, la calrétinine, sur le mode de décharge électrique d’un neurone où elle est exprimée en abondance, le grain cérébelleux. Pour cela, nous avons utilisé une approche théorique et expérimentale. Au niveau théorique, nous avons élaboré un modèle mathématique de l’activité électrique du grain cérébelleux, prenant en compte la chélation du calcium intracellulaire. Il permet de clarifier le rôle de la chélation du calcium intracellulaire sur les oscillations du potentiel membranaire. La modélisation de l’activité électrique du grain cérébelleux repose sur le formalisme développé par Hodgkin et Huxley pour l’axone géant de calmar. Dans ce contexte, l’application de la conservation de la charge au circuit équivalent de la membrane cellulaire fournit un système d’équations différentielles ordinaires, non linéaires. Dès lors, notre modèle nous a permis d’étudier l’impact des variations de la concentration de chélateur calcique sur les oscillations du potentiel membranaire. Nous avons ainsi pu constater qu’une diminution de la concentration en chélateur calcique induisait une augmentation de l’excitabilité électrique du grain cérébelleux, sans altérer le régime d’oscillations. Par contre, en augmentant fortement la concentration en chélateur calcique, nous avons montré que le grain cérébelleux changeait de dynamique oscillatoire, montrant des transitions d’un mode de décharge périodique régulier vers des oscillations en salve du potentiel membranaire.Au niveau expérimental, nous avons vérifié les résultats prévus par le modèle théorique. Nous avons ainsi montré que des grains de souris transgéniques déficientes en calrétinine présentaient une excitabilité électrique accrue par rapport aux grains contrôles.Puis, en restaurant un niveau de chélation calcique normal dans ces grains, par perfusion intracellulaire de chélateur calcique, nous montrons qu’ils retrouvent un niveau d’excitabilité normal. Ensuite, nous avons introduit dans des grains cérébelleux de souris sauvages, une forte concentration en chélateur calcique exogène. Conformément aux résultats théoriques, nous avons pu observer des transitions vers des oscillations en salve du potentiel membranaire. Enfin, nous avons montré que l’absence de calrétinine affecte les paramètres morphologiques du grain cérébelleux des souris transgéniques déficientes en calrétinine.En conclusion, ces résultats suggèrent que le mode de décharge des cellules excitables peut être modulé d’une façon importante par les protéines liant le calcium. De ce fait, des changements dans le niveau d’expression et/ou dans la localisation subcellulaire des protéines liant le calcium pourraient aussi jouer un rôle critique dans la régulation de processus physiologiques contrôlés par l’excitabilité membranaire. De plus, les mécanismes que nous avons mis en évidence pourraient être à l’origine d’un nouveau principe de régulation de la signalisation dans les circuits neuronaux et pourraient jouer un rôle fonctionnel dans le contrôle du codage de l’information et de son stockage dans le système nerveux central., Doctorat en sciences, Spécialisation physique, info:eu-repo/semantics/nonPublished

The neural net computer simulations which will be presented here are based on the acceptance of a set of assumptions that for the last twenty years have been expressed in the fields of information processing, neurophysiology and cognitive sciences. First of all, neural networks and their dynamical behaviors in terms of attractors is the natural way adopted by the brain to encode information. Any information item to be stored in the neural net should be coded in some way or another in one of the dynamical attractors of the brain and retrieved by stimulating the net so as to trap its dynamics in the desired item's basin of attraction. The second view shared by neural net researchers is to base the learning of the synaptic matrix on a local Hebbian mechanism. The last assumption is the presence of chaos and the benefit gained by its presence. Chaos, although very simply produced, inherently possesses an infinite amount of cyclic regimes that can be exploited for coding information. Moreover, the network randomly wanders around these unstable regimes in a spontaneous way, thus rapidly proposing alternative responses to external stimuli and being able to easily switch from one of these potential attractors to another in response to any coming stimulus.In this thesis, it is shown experimentally that the more information is to be stored in robust cyclic attractors, the more chaos appears as a regime in the back, erratically itinerating among brief appearances of these attractors. Chaos does not appear to be the cause but the consequence of the learning. However, it appears as an helpful consequence that widens the net's encoding capacity. To learn the information to be stored, an unsupervised Hebbian learning algorithm is introduced. By leaving the semantics of the attractors to be associated with the feeding data unprescribed, promising results have been obtained in term of storing capacity., Doctorat en sciences appliquées, info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le but de cette thèse est d'étudier d'une façon expérimentale et théorique le comportement synchrone d'un groupe d'oscillateurs contrôlés par la lumière (LCOs). Ces LCOs sont très simples du point de vue électronique et ont la propriété d'imiter le comportement des lucioles puisqu'ils interagissent par des impulsions de lumière. En même temps, les LCOs sont une bonne approche pour étudier d'autres systèmes qui agissent comme des oscillateurs d'intégration et de tir car un LCO est un oscillateur de relaxation à deux échelles de temps :un long processus de charge alterné avec un très court processus de décharge. Une série d'expériences a été menée pour pouvoir comprendre le processus de synchronisation des LCOs. Nous avons trouvé que l'acquisition de la synchronisation est due aux effets de la perturbation à savoir: le raccourcissement de la charge et l'allongement de la décharge. Les mesures expérimentales ainsi que la physique liée aux LCOs nous ont permis de formuler un modèle qui a été utilisé pour trouver d'une façon analytique la courbe de réponse de phase (PRC) qui caractérise un LCO.Le modèle a ensuite été validé en comparant les résultats expérimentaux et théoriques. Le modèle reproduit même, le phénomène de bifurcation qui apparaît lorsque trois LCOs sont couplés et disposés en ligne :deux états stables différents apparaissent selon les conditions initiales. L'accord trouvé entre théorie et expérience nous permet d'utiliser le modèle pour étudier d'autres situations qui ne sont pas facilement abordables du point de vue expérimental.Nous avons étudié analytiquement deux LCOs identiques couplés. Même pour ce cas idéal, nous étions obligés de faire des simplifications pour pouvoir trouver des solutions exactes. On a trouvé pour ce système deux états possibles qui dépendent des conditions initiales, la synchronisation (stable) et l'anti-synchronisation (instable). Nous avons également montré que le temps de synchronisation augmente avec la distance entre LCOs. La construction des langues d'Arnold (régions de synchronisation) nous a permis de distinguer des régions de synchronisation pure d'ordre n:m et des régions de superposition synchronisation--modulation.Nous avons travaillé numériquement avec des systèmes de LCOs affectés de bruits uniforme et Gaussien. Le comportement synchrone de ce système a été caractérisé en utilisant des paramètres statistiques simples tels que la moyenne de la différence de phase linéaire et la variance de la différence de phase cyclique. Nous avons démontré que le bruit, bien qu'il puisse perturber la synchronisation, peut aussi la favoriser entre deux LCOs qui ne se synchroniseraient pas en conditions normales, surtout quand le bruit est Gaussien et que les variances du bruit ne sont pas égales.Nous avons étudié en termes statistiques la synchronisation de LCOs couplés localement et arrangés en ligne, en anneau et en réseau. Nous avons montré que la synchronisation totale se produit plus facilement pour des LCOs disposés en anneau. Concernant le temps de synchronisation, il est imprédictible. Les résultats analytiques et numériques suggèrent que la synchronisation totale est le phénomène le plus probable quand le nombre d'oscillateurs n'est pas très grand.Finalement, nous avons étudié des LCOs statiques et mobiles couplés globalement. Dans les deux cas, nous avons trouvé que la synchronisation est moins probable quand le nombre d'oscillateurs augmente. Pour la condition statique, en considérant un couplage du type champ moyen, nous avons observé que le temps de synchronisation diminue avec le nombre de LCOs. Cependant, pour la situation plus réaliste dans laquelle l'interaction entre LCOs dépend de la distance les séparant, le temps de synchronisation devient à nouveau imprédictible. Enfin, nous avons étudié l'influence de la mobilité sur la synchronisation, problème qui est important en biologie et en robotique.Notre système, de par ses caractéristiques et sa base expérimentale, est beaucoup plus proche de la réalité que ceux considérés d'habitude dans la littérature. Les résultats obtenus peuvent s'appliquer à des systèmes biologiques (lucioles, cellules cardiaques, neurones, …), mais également à la robotique, où la communication à longue portée par la lumière et l'émergence de patterns de synchronisation pourraient être très utiles dans le but d'effectuer des tâches spécifiques., Doctorat en sciences, Spécialisation physique, info:eu-repo/semantics/nonPublished