At : IPGP, amphithéàtre de l’IPGP , on 14:00

The objectives of this PhD thesis were to develop 3D ultrafast ultrasound imaging of the human heart toward the characterization of cardiac tissues. In order to do so, a customized, programmable, ultrafast scanner built in our group was used. In the first part of this thesis, a real-time imaging sequence was developed to facilitate in-vivo imaging using this scanner, as well as dedicated 3D and 4D visualization tools. Then, we developed 3D Backscatter Tensor Imaging (BTI), a technique to visualize the muscular fibres orientation within the heart wall non-invasively during the cardiac cycle. Applications on a healthy volunteer before and after cardiac contraction was shown. Moreover, the undesired effects of axial motion on BTI were studied, and a methodology to estimate motion velocity and reduce the undesired affects was introduced and applied on a healthy volunteer. This technique may become an interesting tool for the diagnosis and quantification of fibres disarrays in hypertrophic cardiomyopathies. Moreover, 3D ultrafast ultrasound was used to image the propagation of naturally generated shear waves in the heart walls, and an algorithm to determine their speed was developed. The technique was validated in silico and the in vivo feasibility was shown on two healthy volunteers, during cardiac contraction and relaxation. As the velocity of shear waves is directly related to the rigidity of the heart, this technique could be a way to assess the ability of the ventricle to contract and relax, which is an important parameter for cardiac function evaluation. Finally, the transient myocardial contraction was imaged in 3D on isolated rat hearts at high framerate in order to analyse the contraction sequence. Mechanical activation delays were successfully quantified during natural rhythm, pacing and hypothermia. Then, the feasibility of the technique in 2D on human hearts non-invasively was investigated. Applications on foetuses and adults hearts were shown. This imaging technique may help the characterization of cardiac arrhythmias and thus improve their treatment. In conclusion, we have introduced in this work three novel 3D ultrafast imaging modalities for the quantification of structural and functional myocardial properties. 3D ultrafast imaging may become an important non-ionizing, transportable diagnostic tool that may improve the patient care at the bed side.

At : PMFST, Faculty of Science, University of Split, Rudera Boskovica 33, 21000 Split, Croatie , on 10:30

At : Amphithéâtre Institut Langevin - ESPCI - 1 rue Jussieu 75005 PARIS , on 13:30

Brownouts are sand clouds stirred by the airflow of the helicopter rotor in arid areas. This cloud can be tens-of-meters thick and reduces or even cancels the pilot’s visibility. A solution is to provide an imaging system embedded on the helicopter that would allow the pilot to visualize the landing area through the sand cloud. Such a system must meet specific criteria. The wave must be able to penetrate the scattering medium and give a sufficient resolution to detect obstacles. The system must also be compact and must work in real time. The sub-terahertz band seems to be the most adequate because it a priori complies with all the requirements. To our knowledge, the performance a sub-terahertz imaging system in brownout condition has never been completely evaluated yet. Besides, some of the existing experimental studies do not seem to be consistent between each other. Thus, we propose an accurate model, which was successfully compared to a Monte Carlo simulation, to evaluate the efficiency of such an imager. Second, we present an innovative/creative experiment to measure simultaneously the attenuation by suspended sand in the terahertz and the visible bands. The extinction efficiency in the THz band can directly be known from these simultaneous measurements. The density of suspended particles and their refractive index in the THz band can also be deduced.

At : ENS de Lyon, Salle 1 (fontaine), 46 Avenue d’Italie , on 14:00

This experimental thesis explores energetic and informational aspects of the fluorescence emitted by superconducting circuits. A quantum bit interacting with a resonant drive exchanges quanta of energy during absorption and emission cycles. Using low- noise amplification and linear detection of microwave light, we have developed a measurement setup to record the energy and complex amplitude of the fluorescence field and realized three experiments based on the record of fluorescence. First, we have realized and demonstrated a transfer of energy between two resonant drives. Owing to the properties of stimulated emission, the direction and magnitude of energy transfer can be controlled by the phase of a quantum superposition of qubit states. Second, we have used the information contained in fluorescence to implement a new readout scheme for superconducting circuits without the help of any ancillary quantum system. The circuit, directly coupled to the environment, encodes quantum information in a well-protected subspace and is read using the fluorescence of a strongly coupled transition. Finally, we have explored the interplay between information and energy in the quantum regime by realizing an autonomous Maxwell’s demon. The demon is a cavity measuring the system, a superconducting qubit. Work is extracted in the form of a stimulated photon emitted by the qubit and is directly measured using our fluorescence measurement setup. It is linked with the variations of the system’s internal energy. Using independent measurements, the transfer of information from the system to the demon is quantified. In particular, we demonstrated the quantum signatures of the demon when the system is initialized in a quantum superposition.

At : Sorbonne Sorbonne Université - Campus Pierre et Marie Curie - Salle 317 Couloir 22-23 - 4 place Jussieu, Paris 5ème , on 14:00

This thesis is dedicated to spatial mode multiplexing, from its fundamental concepts to its applications. The work is associated with the multi-plane light converter (MPLC) technology developed by CAILabs. This study is divided in two main parts. First, we investigate the use of independent spatial mode shaping to measure or modify spatial parameters of the electromagnetic field. We make the theoretical demonstration that the best sensitivity for the measurement of small displacements of a beam is reached when an intensity measurement is made on the Hermite-Gaussian mode basis. By building the adequate MPLC system, we make the experimental validation of this result. We also make the experimental demonstration that a MPLC system can be designed and used to transfer the control of one spatial parameter of a beam onto another. The second project we conducted was a theoretical and numerical study of the statistical transport properties of the MPLC using tools from random matrix theory. We aim at identifying the underlying physical processes which make up for the efficiency of this transformation technique.

At : Salle Conf IV - ENS 24 rue Lhomond 75005 Paris , on 14:00

Les Machines de Boltzmann Restreintes (Restricted Boltzmann Machines, RBM) sont des modèles graphiques capables d’apprendre simultanément une distribution de probabilité et une représentation des données. Malgré leur architecture relativement simple, les RBM peuvent reproduire très fidèlement des données complexes telles que la base de données de chiffres écrits à la main MNIST. Il a par ailleurs été montré empiriquement qu’elles peuvent produire des représentation compositionnelles des données, i.e. qui décomposent les configurations en leurs différentes parties constitutives. Cependant, toutes les variantes de ce modèle ne sont pas aussi performantes les unes que les autres, et il n’y a pas d’explication théorique justifiant ces observations empiriques. Dans la première partie de ma thèse, nous avons cherché à comprendre comment un modèle si simple peut produire des distributions de probabilité si complexes. Pour cela, nous avons analysé un modèle simplifié de RBM à poids aléatoires à l’aide de la méthode des répliques. Nous avons pu caractériser théoriquement un régime compositionnel pour les RBM, et montré sous quelles conditions (statistique des poids, choix de la fonction de transfert) ce régime peut ou ne peut pas émerger. Les prédictions qualitatives et quantitatives de cette analyse théorique sont en accord avec les observations réalisées sur des RBM entraînées sur des données réelles. Nous avons ensuite appliqué les RBM à l’analyse et à la conception de séquences de protéines. De part leur grande taille, il est en effet très difficile de simuler physiquement les protéines, et donc de prédire leur structure et leur fonction. Il est cependant possible d’obtenir des informations sur la structure d’une protéine en étudiant la façon dont sa séquence varie selon les organismes. Par exemple, deux sites présentant des corrélations de mutations importantes sont souvent physiquement proches sur la structure. A l’aide de modèles graphiques tels que les Machine de Boltzmann, on peut exploiter ces signaux pour prédire la proximité spatiale des acides-aminés d’une séquence. Dans le même esprit, nous avons montré sur plusieurs familles de protéines que les RBM peuvent aller au-delà de la structure, et extraire des motifs étendus d’acides-aminés en coévolution qui reflètent les contraintes phylogénétiques, structurelles et fonctionnelles des protéines. De plus, on peut utiliser les RBM pour concevoir de nouvelles séquences avec des propriétés fonctionnelles putatives par recombinaison de ces motifs. Enfin, nous avons développé de nouveaux algorithmes d’entraînement et des nouvelles formes paramétriques qui améliorent significativement la performance générative des RBM. Ces améliorations les rendent compétitives avec l’état de l’art des modèles génératifs tels que les réseaux génératifs adversariaux ou les auto-encodeurs variationels pour des jeux de données de taille intermédiaires.

At : amphithéâtre C. Bloch au CEA-Orme des Merisiers , on 14:00

At : IPGG Institut Pierre-Gilles de Gennes 6 rue Jean Calvin 75005 Paris salle Amphithéâtre de l’IPGG , on 14:00

Le fonctionnement du système nerveux est basé sur l’établissement de circuits neuronaux complexes. Pendant le développement, le branchement axonal permet à chaque neurone de créer des contacts synaptiques avec de multiples cibles. Ce phénomène joue un rôle majeur dans la mise en place des réseaux neuronaux. La compréhension des mécanismes du branchement neuronal est donc essentielle à l’étude du développement des circuits nerveux. Dans cette thèse, nous avons étudié le branchement neuronal en imposant des contraintes morphologiques aux neurones à l’aide de micropatterns adhésifs. En utilisant des patterns statiques, nous avons pu explorer le comportement des branchements neuronaux dans une large gamme de géométrie. Nous avons en particulier étudié l’influence de l’angle de branchement. En parallèle, nous avons travaillé sur le développement d’une technique de micropatterning dynamique basée sur l’adsorption spontanée de dérivées PEGylés de poly-L-lyisne permettant de créer des patterns reconfigurables, dans le but de pouvoir contrôler spatio-temporellement la génération de branches neuritiques.