Projets

L’augmentation dramatique du nombre de personnes touchées par des désordres métaboliques, en grande partie associés à l’obésité, a entrainé le développement de différentes stratégies afin d’induire une perte de poids. Bien que les effets bénéfiques d’une perte de poids soient indéniables, un élément parfois oublié est le destin des molécules liposolubles qui se sont accumulées au cours des années dans le tissu adipeux, tels que les polluants organiques persistants (POP). Ces polluants sont présents partout dans l’environnement et les humains y sont tous exposés de façon quotidienne, mais la principale voie d’absorption est l’alimentation. Comme ceux-ci s’accumulent dans le tissu adipeux, les sources de contamination les plus importantes sont celles d’origine animale, surtout les poissons gras, tels que le saumon. Ces polluants peuvent avoir un impact sur la régulation de certaines hormones et le développement de plusieurs types de cancers en plus d’entrainer des complications métaboliques. En contexte de perte de poids, l’augmentation de la quantité de POP en circulation pourrait amplifier ces effets néfastes. De plus, il a été démontré que l’exposition aux POP avait un impact significatif sur l’intégrité du microbiote et que ces contaminants pouvaient aussi occasionner des changements épigénétiques, ce qui prédisposerait les générations futures à certains troubles métaboliques. Parallèlement, la supplémentation en probiotique ou en prébiotique peut amener des changements favorables dans les communautés microbiennes intestinales, ce qui peut avoir des répercussions positives sur le métabolisme, l’épigénome et sur plusieurs organes, tels que le foie. Mon projet de doctorat s’intéresse donc dans un premier temps à l’étude des différents effets qu’ont les POP sur le développement de l’obésité, le métabolisme, le microbiote intestinal ainsi que l’épigénétique. D’autre part, il a aussi pour objectif d’étudier si la consommation simultanée ou séparée d’un probiotique et d’un prébiotique dans ce contexte peut modifier ces effets.

The proposed M.Sc. project focuses on the radiometric sensor development. The objective is to measure the vertical profile of radiance distribution in sea-ice and the development of more accurate sea-ice light transport models, which are essential to understand sea-ice primary production and mass budget. Different solutions will be considered. One option is to miniaturize an existing multispectral radiance camera [Antoine et al., 2013]. This multispectral (6 wavebands) sensor consists of a fish-eye lens focusing a radiance distribution from an entire half hemisphere onto a 1920 x 1080 12-bits CMOS sensor. The miniaturization of this version represents a challenging project. Another option would make use of a moving part, like a galvo-mirror, to scan the radiance angular field onto a single sensor. This option is a brand-new approach, as nothing similar has never been developed. Whatever option is considered, as many wavebands as possible will be included in the final sensor. The overall diameter of the endoscope, ca. 1 cm, will represent the main challenge of this radiometric sensor development. This instrument could also find niche applications in other environmental media (sediments, snow, water column).

By bringing and amending a technological tool from the medical sciences, this project implies a strong technological development, which may be of interest for an industrial partner. Indeed, even if the sea-ice science community is rather limited, the design of the endoscope and the sensors it will carry will be transportable to many other environmental domains, like snow science, water quality science, atmospheric sciences, etc. Finally, a tight collaboration between optics scientists (lens design and optical engineering) and biologists (zooplankton and phytoplankton specialists) is the key to the success of the project.

To grow, ice algae require sufficient light and nutriments levels (e.g. Nitrate, nitrite, phosphate, silicate and ammonium). Reduced sea ice volume will rise transmitted irradiance but not necessarily primary production if nutrients input is not sufficient. The flux of nutrients from the water column to the sea ice is not well understood and prevents modellers to correctly simulate observed ice algae bloom. The proposed M.Sc. project focuses on the development of a sensor to measure nitrate concentration in the frame of the endoscopic platform. In most case, nitrate is the most limiting nutrient. Current in situ oceanographic nitrate measurements are performed with UV absorption hyperspectral spectrophotometry.
This conventional instrument is bulky and uses an optical path of known length which is not compatible with an endoscopic support. Novel techniques such as Brillouin spectroscopy, spectrofluorometry, optode luminescence, absorption and Raman scattering measurements will be evaluated in order to reduce the size of the instrument and measure simultaneously the photon path length inside the ice. Then, the instrument will be designed, fabricated and tested. The ultimate goal of the M.Sc. project is to characterize in situ the sea-ice nutrients concentrations and especially its distribution in the sea-ice internal structure.

By bringing and amending a technological tool from the medical sciences, this project implies a strong technological development, which may be of interest for an industrial partner. Indeed, even if the sea-ice science community is rather limited, the design of the endoscope and the sensors it will carry will be transportable to many other environmental domains, like snow science, water quality science, atmospheric sciences, etc. Finally, a tight collaboration between optics scientists (lens design and optical engineering) and biologists (zooplankton and phytoplankton specialists) is the key to the success of the project.

When an entire mouse brain is imaged with micron resolution, the resulting dataset can be greater than 1TB. Even highly performing computers rarely have over 100GB of RAM, and therefore, just opening and viewing large volumetric datasets can be extremely difficult. With the immense potential in actually analyzing entire brain volume information it is imperative that solutions for investigating these large datasets on regular lab computers are developed. To this end, three main programs were implemented: 1) A stiching and formatting function to merge the raw image files into a singular volumetric dataset for use in open-source visualization softwares, mainly allowing 3D visualization. 2) A segmentation algorithm that allowed for cell counting and cell localization within the large volumetric dataset. 3) A vectorization program that took the segmented information and created light-weight visualization volumes using only 3D vector based information – decreasing the original volume size by 1000000x. The implementation of these programs will allow researchers to quickly view and analyze cell counts from large 3D brain volumes on virtually any lab computer.

Résumé :

Déterminer une stratégie pour la visualisation 3D basé sur la vectorisation :

L’étudiant doit explorer les différentes solutions disponibles afin de visualiser de grandes quantités de données dans un format 3D. La technique choisi doit être facile d’utilisation et l’étudiant devra bien documenter le logiciel. Les images volumétriques de grandes tailles pourront donc être analysées visuellement de façon efficace.

Programmer un système de segmentation 3D et de vectorisation et valider les performances :

Afin de procédé à une analyse quantitative des images volumétriques, l’étudiant doit programmer une routine de segmentation et de comptage des différents éléments d’intérêts. Il est important de pouvoir mesurer les performances de la routine de segmentation par rapport à une référence.

Programmer système de lectures des données HDF5 :

Les images volumétriques sont enregistrées dans un format HDF5 optimisant leur stockage. L’étudiant doit créer des routines permettant de lire et d’écrire des données de façon efficace dans un fichier HDF5. La routine doit être simple et doit pouvoir être utilisé par tous les autres membres du groupe.

Programmer des tests de performances et des Tests Unitaires pour l’ensemble du code :

Toutes les routines doivent être robustes afin de prolonger leur utilisation dans le groupe de recherche. Chacune d’entre elle doivent faire l’objet de tests de performances et de tests unitaires.

Utiliser GitHub et fournir de l’information continu par les messages de Commit et Pull Request :

Toutes les routines et les programmes doivent faire partir de l’écosystème GitHub afin de faciliter l’utilisation de ces outils par tous les autres membres du groupe. L’étudiant doit utiliser les fonctions spécifiques de GitHub pour éviter les conflits de versions.

Dans le cadre du projet HiCIBaS (High-Contrast Imaging Balloon System), un télescope de 14 pouces muni d’un capteur de front d’onde et d’un miroir déformable est envoyé à 35Km d’altitude afin de tester notamment le fonctionnement d’un miroir déformable de type MEMS (Microelectromechanical systems), de caméras Nüvü et d’autres instruments dans des conditions similaires aux conditions spatiales. Outre mesure, le projet a pour but scientifique d’obtenir les données du LOWFS (Low Order Wavefront Sensor) embarqué dans le ballon HiCIBaS et d’en extraire une mesure des turbulences atmosphériques en haute altitude. Les charges du projet de maîtrise sont de designer et développer le logiciel de communication et d’asservissement des sous-systèmes, définir les requis de l’ordinateur de bord et le designer. Les charges incluent également de développer les logiciels de réduction et d’analyse des données qui seront utilisés après le vol. L’interface de communication utilisera le réseau fourni par l’agence spatiale canadienne afin de communiquer avec le sol. Le logiciel embarqué sera apte à contrôler les sous-systèmes de façon autonome et utilisera un système de gestion de base de données afin d’assurer une cohérence chronologique des données nécessaire pour différencier des données aberrantes provenant du système. La mesure des turbulences sera effectuée en décomposant les aberrations du front d’onde avec la statistique phénoménologique de Kolmogorov.

Programmer un système d’acquisition avec tests unitaires en Python pour un microscope.
Programmer le contrôle angulaire et longitudinale du microscope en utilisant les cartes d’aquisitions National Instruments.
Programmer la reconstruction de l’image 2D en temps réel ainsi qu’un mode d’imagerie calcique.
Utiliser le système Qt pour l’interface graphique.

Fiber biophotometry is one of the most effective technique to monitor specific cell types through Ca2+ fluorescence sensing in live animals. This approach consists of delivering excitation light to brain tissue and retrieving the Ca2+ fluorescence signal through a multimode implantable optical fiber. Existing techniques are extensively used with anesthetized laboratory mice, but they are impractical to conduct in-vivo experiments with freely moving laboratory animals, a milestone in neuroscience. The main objective of this project is to develop a novel low-power, lightweight and minimally invasive wireless optoelectronic neural interface device enabling chronic brain fiber photometry in freely moving laboratory mice (Fig.1). The proposed optoelectronic microsystem involves a custom CMOS system-on-a-chip (SOC) enclosed within a head-mountable mini-scope system including different micro-lenses and dichroic filters, and an implantable optical fiber to deliver excitation light and to retrieve the fluorescence brain activity signal. The custom CMOS integrated circuit includes a novel high-sensitivity lock-in amplifier along with a new mixed-mode detection scheme [1] that allow the system to work at ultra low power and to detect extremely low fluorescence input power levels. To achieve small size, low weight, and ultra low power consumption, the custom CMOS chip leverages on-chip integrated photo detectors [2,3], a low-noise analog front-end circuit, and a novel lock-in detection approach. A 230-μm-by-180-μm micro-LED is coupled with a drum lens and enclosed within the mini-scope to provide a miniature light source (Fig. 1). The micro-LED is mounted on a small rigid PCB using a flip-chip bonding machine. An emission photoresist color filter is spin-coated on the bare CMOS chip in a clean room at ULAVAL to retrieve the fluorescence signal through very compact on-chip spectral filtering.

An important aspect of this project consists of manufacturing all these components separately through CMC or at one of ULAVAL’s nanofabrication facility and integrating them in Prof. Gosselin’s laboratory. The SoC, the optical filters, the lenses and the implantable fiber are all integrated within a lightweight and compact 3D printed enclosure that can be mounted on the head of a small laboratory mouse for providing a bidirectional interface with its brain cells, through a single optical fiber.

Le microbiome définit le génome collectif ou l’ensemble des microorganismes habitant un milieu. Nous réalisons maintenant que le bon fonctionnement du microbiome humain affecte directement notre santé. Pareillement, le microbiome planctonique, soit l’ensemble des microbes dans les eaux naturelles et leurs fonctions, joue un rôle prédominant dans la santé des écosystèmes aquatiques; il est à la base de la chaine alimentaire et des cycles biogéochimiques. Il est généralement considéré que le microbiome planctonique est constitué de bactéries, d’archées, de phytoplanctons, de protistes et de virus. Un des groupes les plus abondants dans les eaux nordiques est le picophytoplanctons, spécifiquement les picocyanobactéries en eaux douce et les picoeucaryotes dans les environnements marins. Depuis plusieurs années, les populations de ces organismes autotrophes sont analysées sur la base de l’autofluorescence intrinsèque de leurs pigments photosynthétiques par cytométrie en flux. Cet instrument permet de mesurer les propriétés optiques de chaque cellule individuellement, ce qui rend possible l’identification rapide des sous-populations dans un échantillon. Les informations obtenues sur la biodiversité permettent de dresser un profil limnologique ou océanographique du milieu d’étude.

Bien que des cytomètres en flux sont utilisés pour des campagnes sur le terrain, ces appareils sont généralement très dispendieux et optimisés pour des applications médicales plutôt qu’environnementales. De plus, ils nécessitent un alignement optique extrêmement précis ce qui limite leur tolérance aux conditions rudes sur le terrain arctique. Pour pallier ce problème, les scientifiques doivent généralement cryogéniser les échantillons pour en faire l’analyse en laboratoire à des milliers de kilomètres au sud. En plus d’engendrer des défis pratiques évidents, ce type de manipulations ne permet pas d’obtenir rapidement un aperçu, sur le terrain, du microbiote présent et augmente les risques associés à un mauvais échantillonnage.

De ce fait, le but de ce projet, dans le cadre du chantier thématique 3.1 de Sentinelle Nord, est de développer une plateforme de cytométrie en flux portable permettant de faire la quantification des picocyanobactéries en milieu nordique. La technologie utilisée, développée dans le laboratoire du professeur Boudreau, vise à effectuer un encodage spatial virtuel afin de faire une détection multiplexée des signaux de fluorescence émis par différents pigments. Cette technique toujours en développement, permet entre autres d’augmenter le rapport signal sur bruit par rapport à la cytométrie standard. Un seul détecteur est utilisé ce qui limite ultimement la consommation énergétique, le volume et le poids de l’instrument. Pour répondre aux besoins des chercheurs nordiques, des technologies d’intégration photonique et microfluidique de pointes sont utilisées dans le but d’éliminer toute forme d’alignement et de produire un dispositif fiable et compact.

Raman spectroscopy has been used in the past for many biological applications including: differentiating cancerous from non-cancerous tissue, differentiating brain regions based on their molecular constituents and even differentiating tissue types along the trajectory of needles into the spinal cord to assure proper epidural injections.
In the laboratory of Dr. Côté, we are very interested in the use of Raman spectroscopy to improve surgical guidance by providing normally non-visible information. In our current technologies, we focus mainly on fiber optics which allow us to perform distal tissue information using white light spectroscopy and coherent-Raman spectroscopy, however, we would like to explore the ability of a spontaneous Raman system to perform concurrent imaging and spectroscopy (hyperspectral imaging).

During the project, the student will:

• In MATLAB, write the small application to control the Raman camera to set the acquisition times and to acquire spectra, using their free driver suite.
• Create widefield Raman microscope using optical components and tunable laser. Acquire reflectance and fluorescence images to begin;
• Acquire a spectra of a pure compound by tuning the laser and summing the entire detector. Ie. Tylenol
• Acquire a hyperspectral image of white and grey matter

La composition du microbiome intestinal est influencée par de nombreux paramètres dont le stade de vie, le génome de l’hôte, l’état de santé et les habitudes alimentaires, générant ainsi une grande variabilité interindividuelle (Falony et al 2016). Les nutriments ingérés, la composition du microbiome ainsi que les métabolites issus de celui-ci ont la capacité d’influencer la physiologie de l’hôte et constituent l’axe hôte-microbiome (Singh et al. 2017).

Les mécanismes précis permettant au microbiome de moduler la physiologie de l’hôte demeure à élucider, mais le système endocannabinoidien (EC) pourrait en être un des médiateurs. Le système EC inclut des effecteurs lipidiques endogènes (l’anandamide [AEA] et le 2-arachidonoylglycerol [2-AG]) dérivés des oméga-6 PUFA ainsi que des analogues (N-oleoylethanolamine [OEA] and N-palmitoylethanolamine [PEA]). Les récepteurs CB1 et CB2 complètent le système EC qui contrôle des fonctions nerveuses centrales, digestives, immunitaires, inflammatoires, métaboliques et hédoniques. Un débalancement dans l’activité du système EC a été observé dans l’obésité et le diabète, ainsi que dans les troubles du bien-être et de santé mentale (Silvestri et al. 2013, Cani et al. 2016).

L’uniformisation récente de l’offre alimentaire mondiale touche particulièrement les populations indigènes par une diminution de la disponibilité d’aliments traditionnels et/ou des modifications de leurs compositions. Ceci s’observe entre autres dans les populations du Nord canadien par une diminution de l’apport en PUFA oméga-3, en fibres et en phyto-éléments (Leung 2016); tous connus pour influencer la composition du microbiote et normaliser le système EC chez la souris (Muccioli et al. 2010, Cani et al. 2016, Anhe et al. 2016).

Contrairement à l’effet spécifique de ces nutriments, l’influence précise des changements d’habitudes alimentaires globales sur l’axe microbiome-EC ainsi que leurs impacts sur la santé cardiométaboliques (CM) et mentale demeurent insondé. Le présent projet propose de sonder ces relations ainsi que d’explorer le rôle médiateur de variables telles l’âge, le sexe et les paramètres anthropométriques, par exemple, sur celles-ci.

Nous émettons l’hypothèse qu’une adaptation inadéquate de l’axe microbiome-EC face à l’environnement moderne augmente les risques de maladies CM (Hansen et al. 2015) et mentales (Rogers et al. 2016) qui sont observées de façon disproportionnée chez les populations du Nord canadien.
Nous avons donc comme objectifs 1) de caractériser les relations entre les habitudes alimentaires, l’axe microbiome-EC et le statut métabolique et mental d’une population québécoise, 2) de comparer ces relations à celles obtenues chez une population du Nord canadien et 3) d’identifier les variables prédictives de ces relations. À terme, ces prédicteurs pourraient servir de marqueurs sentinelles des impacts CM et mentaux engendrés par les transitions environnementales et nutritionnelles du Nord canadien.

Contexte : Notre compréhension du cerveau passe par l’obtention de la topologie des réseaux de neurones qui le compose. Ce réseau de neurones, pour être étudié, doit être imagé avec des techniques rapides, à haute résolution spatiale et temporelle, avec sectionnement optique pour permettre la reconstruction tridimensionnelle de son activité.

Une nouvelle technique de microscopie rapide 3D, appelée la microscopie HiLo, permet d’obtenir du sectionnement optique dans un système de type grand-champ à l’aide de deux images. Un système sera mis en place dans le groupe du Dr. Côté cet été, et Valérie de concert avec l’étudiant, mettra en place les protocoles pour faire l’imagerie du poisson zèbre. Ainsi, un système de microscopie HiLo rapide avec balayage en Z sera construit pour faire l’imagerie de l’activité du cerveau du poisson-zèbre. Le système pourra obtenir des volumes au taux de 50 volumes par seconde, suffisant pour résoudre l’activité calcique des neurones.

Tâches à accomplir : L’étudiante apprendra la manipulation des poissons zèbres, mettra en place les protocoles pour les préparer, les imager (cerveau mais aussi intestin), les garder vivants et les préparer pour conservation. De concert avec un ingénieur, elle développera la stratégie d’imagerie à l’aide de ce nouveau microscope, ou utilisera un autre système pour obtenir des images d’activité calcique grand volume dans le cerveau du poisson zèbre.

Les méthodes utilisées pour mesurer les propriétés de la neige sont actuellement lentes et demandent plusieurs manipulations ce qui ne permet pas de mesurer ces propriétés tout au long de l’année. Mon projet de maîtrise porte sur le développement d’un appareil mesurant automatiquement les propriétés optiques de la neige. Comme la neige est composée de glace et d’air, deux matériaux transparents, il est possible d’utiliser des méthodes optiques pour la caractériser. Les propriétés optiques de la neige sont la densité et la teneur en impuretés de celle-ci ainsi que la surface spécifique, le paramètre d’amplification de l’absorption et la fonction de phase des grains qui la compose. Toutes ces propriétés influencent le parcours des photons dans le milieu hautement diffusant qu’est la neige. Cet appareil sera constitué d’une diode laser modulée en intensité et de photodétecteurs. L’objectif est d’observer le transfert radiatif dans la neige afin d’en faire l’inversion pour retrouver les propriétés de la neige. Les études précédentes sur l’albédo et la transmittance de la neige démontrent qu’il est impossible d’isoler toutes les propriétés de la neige en utilisant uniquement ses deux propriétés optiques apparentes de la couverture de neige. Il est ainsi nécessaire de développer une autre méthode de mesure permettant de retrouver ces propriétés optiques de la neige. La principale innovation de ce projet est l’ajout d’une dimension temporelle qui permet d’obtenir davantage d’informations permettant de faire l’inversion sur toutes les propriétés optiques de la neige. Puisque la lumière voyage plus lentement dans la glace que dans l’air, il est attendu que la réponse temporelle du milieu varie avec les différentes propriétés optiques de la neige. Le projet est actuellement en phase exploratoire. Afin d’avoir le contrôle sur les propriétés optiques de la neige, des grains de forme variés sont importés dans un logiciel de tracé de rayons qui permet de simuler le parcours de la lumière dans n’importe quel milieu et qui permet, par son réalisme de retrouver le temps de propagation d’un rayon contrairement aux modèles de transferts radiatifs habituellement utilisés. À l’aide de nombreuses simulations pour différents paramètres, il sera possible de construire une base de données de temps de parcours et il suffira ensuite d’interpoler les résultats obtenus sur le terrain avec les données simulées.

L’obésité et les maladies cardiométaboliques sont progressivement en train de devenir un problème de santé publique à travers le monde. Il est présentement proposé que l’augmentation de ces désordres est due à divers facteurs environnementaux qui génèrent des changements importants du microbiote intestinal. L’analyse de celui-ci est traditionnellement réalisée à posteriori sur des selles, ce qui requiert du personnel hautement qualifié de même que des procédures longues et dispendieuses. L’objectif de ce projet est de concevoir un capteur optique qui, une fois implanté dans l’intestin d’un modèle animal, permettra de détecter en temps réel des molécules clé dérivées du microbiome.

Au cours des 25 dernières années, la stimulation cérébrale profonde (DBS) est devenue un traitement chirurgical mondial pour la maladie de Parkinson, ainsi que de nombreuses autres maladies neurologiques. Bien que les interventions chirurgicales puissent être différentes entre les hôpitaux, l’efficacité du DBS dépend fortement de la capacité de l’électrode stimulante à être placée précisément dans une petite zone spécifique du cerveau. La création de techniques de guidage optique qui peuvent améliorer le ciblage des structures cérébrales profondes pendant l’implantation, sans causer de préjudices supplémentaires, est donc fortement requise. Compte tenu de ce problème, nous concevons un dispositif optique fibrée abordable et suffisamment petit pour être placé dans la partie creuse des électrodes SCP commercialement disponibles et capable de mesurer des informations biologiques à partir des tissus environnants. Nous utilisons de multiples nouvelles modalités optiques, y compris l’utilisation d’une spectroscopie de réflectance et d’une spectroscopie Raman cohérente pour détecter à la fois les propriétés moléculaires et optiques des tissus proximaux. En raison de la compacité de la sonde et de sa robustesse, il pourrait bientôt remplacer le stylet de l’électrode actuelle pendant sa descente dans le cerveau pour fournir des informations jusqu’à présent inaccessibles au chirurgien. Non seulement nos expériences préliminaires ont montré la capacité de localiser la structure cérébrale ciblée lors des opérations de SCP pour le Parkinson, soit le noyau sous-thalamique, mais aussi nous avons montré qu’il peut fournir une détection des vaisseaux sanguins lors de la chirurgie. Cela signifie que nous pourrions efficacement éradiquer les hémorragies intra-opératoires qui ont actuellement un taux d’occurrence de 2%, tout en améliorant le succès du traitement de la maladie de Parkinson. L’objectif final de cet appareil sophistiqué sera d’utiliser les données acquises à partir des deux modalités en temps réel, pendant l’implantation de l’électrode DBS, pour augmenter la sécurité et la précision de la procédure chirurgicale.

Créer un système basé sur l’intelligence artificielle (IA) pour classifier les spectres Raman et les tissus. Effectuer une classification et comparer avec les résultats précédents. Identifier les techniques les plus performantes. Étendre à une analyse d’image les différentes stratégies basées sur l’IA.

Il s’agit de concevoir un instrument permettant de mesurer la lumière disponible pour les organismes vivants en fonction de la profondeur et de la saison dans les lacs nordiques canadiens. L’instrument proposé fera la collection de la lumière à l’aide de plusieurs fibres optiques à large cœur. La lumière sera ensuite mesurée et analysée à un contrôleur central. En plus de la détection de luminosité sous-marine, il est prévu de faire l’analyse spectrale du signal. Idéalement, le prototype final devra faire les mesures de façon autonome pendant une année.

Les avancées technologiques concernant la microscopie ont permis la création d’une grande variété de systèmes optiques dédiés à l’investigation du comportement dynamique des cellules in vivo. Certaines approches prennent avantage des impulsions lasers brèves et intenses, comme c’est le cas de la microscopie par fluorescence à deux photons. Pour les applications en neuroscience, le défi réside dans l’observation des interactions entre des neurones marqués d’un fluorophore qui sont situées à différentes profondeurs dans le tissu. Afin d’y arriver, il est nécessaire de balayer l’échantillon sur plusieurs plans transverses pour couvrir entièrement son volume. Puisque cette procédure diminue la résolution temporelle, il a été proposé d’augmenter la profondeur de champ du microscope afin de minimiser le nombre de balayages à effectuer. L’axicon réfractif, soit une lentille de forme conique, est un élément optique permettant de produire une ligne focale grâce à un faisceau Bessel. La profondeur de champ peut donc être augmentée jusqu’à 1 mm, tout en conservant une résolution spatiale de l’ordre du micron. Cependant, l’axicon est difficile à fabriquer et possède généralement des défauts sur la pointe du cône, dégradant ainsi la qualité de la composante.



En vue de remplacer l’axicon par une autre composante optique dont la fabrication n’entraîne pas de défauts, il a été envisagé d’utiliser une lentille à gradient d’indice (GRIN-Axicon). Des études menées par E. Marchand puis par R. M. Gonzalez ont prouvé le concept, mais les solutions proposées sont approximatives et leur analyse est limitée. Le GRIN-Axicon pour remplacer l’axicon standard a ensuite fait l’objet de travaux dans les laboratoires du Prof. Simon Thibault. Des simulations ont montré que cette composante optique couplée à une lentille a le potentiel de produire un faisceau de bonne qualité. Toutefois, les tests expérimentaux ont été très brefs et il est nécessaire d’investiguer davantage le comportement du GRIN-Axicon en laboratoire. L’objectif du projet de maîtrise est donc de concevoir et fabriquer un GRIN-Axicon pour une application en microscopie multi-photonique. Le processus de fabrication sera optimisé en vue de créer une composante de qualité possédant un coût compétitif. 

Entire our environment, Machine Learning applications are growing extremely and becoming one of the important subjects. There are many applications such as brain–machine interfaces, computer vision, financial market analysis, handwriting and face recognition, machine translation, neural networks, speech recognition, and etc. which are going to revolutionise our society. This project aims to develop and optimise machine-learning application for neural networks on FPGAs in biological systems. FPGAs have been chosen for implementing the neural networks for the project since they can control different algorithms in parallel in one device. 

Divided in two phases, the project goals are to design an electronic sphygmomanometer prototype and assess the accuracy of algorithms that estimates the systolic and diastolic blood pressure values from a recorded oscillometric waveform. While the development of the prototype is focused on patient comfort, power efficiency, low profile electronics/actuators & mechanical integration, the prototype also serves as a foundation for the recording of raw oscillometric waveforms for further offsite processing. Among the studied extraction algorithms are: the maximum amplitude, harmonic analysis, pulse morphology, and non-linear curve fitting. ​

Au cours de la récente campagne d’échantillonnage Green Edge (2015-2016), des séries temporelles de paramètres pertinents pour le rayonnement solaire visible (RSV) ont été collectées localement sur la banquise côtière de l’est de la Terre de Baffin. Outre les données satellitaires, nous disposons de suffisamment d’informations pour relier les fluctuations du RSV à l’environnement physique à une échelle spatiale très locale. L’objectif de mon projet est d’utiliser ces données pour mettre sur pied une approche satellitaire pour évaluer les impacts respectifs de la nébulosité et de la cryosphère sur la lumière sous-marine, et leur évolution temporelle d’une surface englacée opaque (régime de faible luminosité) à une eau libre de glace (régime de forte luminosité). L’approche adoptée consiste à modéliser l’effet optique de la nébulosité et des principaux éléments de la cryosphère évoqués dans la littérature (épaisseur de glace, épaisseur de neige, présence de chenaux, surface des mares de fonte) séparément, et à estimer la disponibilité de la lumière pour la production primaire en présence et en l’absence de chaque élément. On sait déjà que ces éléments ont changé dans les dernières décennies, alors je cherche à savoir dans quel contexte (ex : région, type de banquise) l’un est-il plus important que l’autre pour le RSV sous-marin. 

Les maladies du cerveau sont de plus en plus présentes de nos jours. Il est devenu impératif de faire avancer les technologies permettant d’étudier le cerveau et ses maladies associées. L’arrivé de nouvelles technologies permettant de mieux comprendre comment le cerveau fonctionne et surtout comment il gère l’information représente le future dans ce domaine. Les nouveaux appareils d’enregistrement électrophysiologique multicanal et de stimulation cérébrale sont très en demande pour étudier le fonctionnement des microcircuits cérébraux [1], car les protocoles expérimentaux exigent typiquement de stimuler des régions pour en étudier l’effet. L’optogénétique est une nouvelle approche qui permet de stimuler des groupes de neurones dans de petits animaux de laboratoire transgéniques à l’aide de lumière guidée par des fibre optiques. Cette approche permet une meilleure précision de stimulation, donc une meilleure observation du rôle des neurones dans des grands réseaux biologiques. Les systèmes réalisés au Laboratoire de recherche sur les microsystèmes biomédicaux de l’Université Laval (LMBio-UL) sont parmi les premiers systèmes permettant de combiner l’enregistrement électrophysiologique multicanal avec la stimulation optogénétique dans un seul et même système miniaturisé utilisant un lien de communication sans-fil [2]. Ces systèmes révolutionnaires permettent d’étudier le cerveau de petits animaux en mouvement libre, ce qui est pratiquement impossible à faire avec des systèmes connectés par des fils. Ces systèmes permettront un jour de recréer artificiellement des connexions endommagées dans le cerveau en appliquant une rétroaction en boucle fermée entre la stimulation et les signaux enregistrés. Par ailleurs, l’approche en boucle fermée permettrait à court terme de faire la lumière sur plusieurs maladies du cerveau et éventuellement de développer de meilleurs traitements. Des systèmes en boucle fermée ont été conçus au LMBio-UL [3]. Ces systèmes permettent d’enregistrer et de traiter les données neuronales en temps réel afin de contrôler les neurones par stimulation optogénétique. Des stratégies en boucle fermée simplifiées ont été testées pour le moment.

Mon projet de doctorat consistera à réaliser de nouvelles stratégies de traitement de données innovantes et des algorithmes d’intelligence artificielle très performants afin de fermer la boucle à l’aide des données enregistrées directement par un dispositif et de la stimulation optogénétique. Le but est d’intégrer des algorithmes intelligents qui permettront d’activer la stimulation optogénétique en temps réel, en fonction de l’information reçue sur les nombreux canaux d’enregistrement d’un capteur.

Les systèmes actuels présentent encore plusieurs limitations. Particulièrement, les systèmes sans-fil avec traitement de signal embarqué présentent des modèles d’analyse des signaux simples et s’appliquent sur un seul canal d’observation/stimulation comme pour le système montré cet article [3]. Par ailleurs, les systèmes qui utilisent des modèles plus complexes et présentent plusieurs canaux utilisent souvent un ordinateur pour traiter les données enregistrées et les analyser [4]. Cette méthode est problématique puisqu’elle induit une latence entre l’enregistrement et la stimulation qui empêche l’approche en boucle fermée. Cette latence est critique lorsqu’on veut étudier le cerveau à l’aide de la boucle fermée ou même recréer des connexions neuronales perdues dans le cerveau. Une partie importante du projet consistera à développer un microsystème permettant l’application de modèles complexes sur plusieurs canaux d’enregistrement en parallèle, et permettant le contrôle de la stimulation optogénétique en boucle fermée. Les modèles appliqués devront être adaptable pour permettre à l’appareil d’être utilisé par plusieurs chercheurs en neuroscience qui auront différentes expériences à mener.

Pour commencer le projet, une revue des différents algorithmes d’intelligence artificielle devra être fait pour déterminer les solutions disponibles pouvant s’appliquer à une interface cerveau machine comme celle décrite plus haut. Par la suite, ces algorithmes devront être testés sur ordinateur pour déterminer les performances de chacun et ainsi choisir le plus appropriée. La solution choisie pourra alors être implémentée sur FPGA afin de la tester sur une plateforme matérielle. L’algorithme sur FPGA pourra être ajouté à une plateforme permettant l’enregistrement électrophysiologique et la stimulation optogénétique sur plusieurs canaux sans-fil. Alors, il sera possible de tester le tout sur de petits rongeurs libre de mouvement et donc de confirmer la fonctionnalité de l’algorithme choisi. Finalement, dans le but de réduire le plus possible la consommation et la taille du système, une puce électronique en technologie.

Au cours des dernières décennies, les médias et les chercheurs ont accordé une attention particulière aux changements climatiques, à l’environnement et à sa modélisation. Mesurer l’impact du changement climatique de manière quantitative reste, à ce jour, un défi de taille. Néanmoins, il a été démontré que l’étude des microorganismes qui se développent dans un environnement donné constitue un moyen efficace d’évaluer les impacts du changement climatique sur cet environnement particulier [1]. Le problème avec cette méthode est que les microorganismes qui persistent là où les changements climatiques sont prédominants, comme dans les zones les plus septentrionales, ne sont pas bien connus [2]. Pour résoudre ce problème, il faut renforcer les connaissances collectives relatives aux communautés de microorganismes et au métabolisme. Le programme Sentinelle Nord à l’Université Laval s’appuie sur plus d’un demi-siècle de recherches sur le nord pour développer de nouvelles technologies innovantes et améliorer notre compréhension de l’environnement nordique et de son impact sur l’homme et sa santé. L’un des principaux objectifs est de surveiller, comprendre et valoriser les microorganismes et les molécules dans le nord canadien. Pour ce faire, notre équipe a conçu l’EcoChip [3], une nouvelle technologie qui permettant d’identifier les microorganismes qui serviront d’indicateurs des changements environnementaux à travers un gradient de régions septentrionales actuellement sous l’influence du réchauffement climatique, des interventions humaines et de la présence de contaminants. Cette technologie innovante permet également de trouver et caractériser des molécules capables de prospérer dans des environnements extrêmes qui pourraient présenter un intérêt pour les technologies industrielles et biologiques. 

Ce projet porte sur la conception de la nouvelle génération d’EcoChips. L’EcoChip est une plateforme de détection autonome destinée à la culture et au suivi de la croissance des microorganismes et de leurs conditions environnementales in situ, dans des environnements difficiles, notamment dans les climats nordiques. L’EcoChip comprend une plaque multicellulaire en couches qui permet la croissance de microorganismes à souche unique, dans des puits, isolés à partir d’échantillons environnementaux provenant d’habitats du Nord. Il peut être déployé sur le terrain pour une surveillance continue de la croissance microbienne dans 96 puits individuels via un circuit de surveillance par impédance électrochimique (EIS) multicanal. Des capteurs supplémentaires sont permettent de mesurer des paramètres environnementaux tels que la luminosité, l’humidité et la température. Une mémoire embarquée permet de stocker les données des capteurs sur de longues périodes alors qu’un microcontrôleur éco-énergétique permet de contrôler et alimenter tous les composants électroniques. Les performances du premier prototype mesurées en laboratoire montre que le prototype peut effectuer des analyses EIS à une fréquence d’excitation fixe de 1 kHz avec une précision de 5% et qu’il présente une consommation moyenne de 114.6 mW en mode de fonctionnement normal / 0.14 mW en mode veille. 

Ce projet consiste à concevoir l’Ecochip 2, une nouvelle plateforme de détection autonome qui améliorera en tout point le prototype précédent. Grâce à un nouveau boitier étanche fait sur mesure et une nouvelle stratégie de surveillance par spectroscopie EIS, l’EcoChip 2 permettra de surveiller et de reconnaître la signature environnementale de microorganismes dans leurs milieux naturels difficilement accessibles pendant des périodes prolongées. L’EcoChip 2 sera équipé d’un système de spectroscopie EIS à haute précision permettant de tracer le spectre d’impédance de microorganismes, sur une large plage de fréquence allant de 1 Hz à 10 kHz, pour une précision de moins 0.5%. La spectroscopie EIS permettra de mesurer le taux de croissance et d’identifier les microorganismes in situ. Plusieurs capteurs permettant de mesurer les paramètres des sols et de l’atmosphère seront également incorporés dans l’EcoChip 2, dont un capteur de phosphate et de méthane. L’EcoChip 2 sera testé à l’Université Laval et validé lors d’expéditions dans le Grand Nord par l’entremise du programme Sentinelle Nord. 

Une caractérisation spatio-temporelle in situ plus approfondie des propriétés optiques inhérentes (IOPs) de la glace de mer permettrait de mieux prédire le bilan d’énergie du couvert de glace et de mieux suivre la production primaire sous la glace en Arctique. L’objectif de ce projet est de développer une sonde active et robuste permettant de mesurer les IOPs d’un petit volume de glace avec une vitesse d’acquisition et une vitesse de traitement rapides. La sonde est basée sur la technique de la réflectance diffuse développée pour mesurer les IOPs de tissus humains. Conceptuellement, l’instrument émet de la lumière polychromatique guidée jusqu’à la glace par une fibre optique. La lumière rétrodiffusée est mesurée à différentes distances de la source et comparée à des réflectances diffuses simulées par Monte-Carlo. Un algorithme inverse permet ainsi d’inférer le coefficient d’absorption, le coefficient de diffusion et le paramètre d’asymétrie de la fonction de phase du volume sondé. En particulier, la résolution spatiale d’une telle sonde permettrait de profiler verticalement les IOPs dans la couche diffusante de surface et dans la couche d’algues au bas de la glace. Ces couches jouent un rôle critique dans le suivi de la fonte glacière et de la production primaire.