Projects

The increasing prevalence of obesity, cardiometabolic diseases (CMD) and mental health disorders (MHD) among indigenous populations in the Canadian north is a major public health issue. There is growing evidence that it has been triggered by changes in the human gut microbiome due to perturbations in the environment and to social and dietary changes. This new understanding has highlighted the lack of predictive tools and biomarkers for rapid and efficient diagnostics of these diseases. Analysis of the gut microbiome is mostly based on metagenomic analysis of feces samples because no method exists for in vivo or in vitro monitoring of stable communities of gut commensal microbiota, thus preventing the elucidation of host-microbiome interactions and their contributions to pathophysiology. In this context, our group in collaboration with others at Uiversité Laval has been active in developing optical fiber-based probes (“lab-in-fiber”) to measure metabolic markers directly in the gastrointestinal tract of murine models. In this respect, an enduring challenge is to bring the ambient liquid in contact with the sensing region to ensure a continuous flow of fresh solutes, which requires the integration of a miniaturized pumping mechanism in the probe tip. In parallel to this effort, recent research has shown how living human intestinal tissue and communities of aerobic and anaerobic human gut microbiota can be cocultured in a microfluidic channel (i.e., “organ-on-chip”) to mimic a living gut that can be submitted to, e.g., variations of effluents mirroring changes in the diet of an individual. Such a platform could serve to validate the lab-in-fiber in realistic conditions, and even, ultimately, do away with in vivo probe implantation altogether by integrating biomarker sensors directly in this organ-in-chip platform. This project aims to develop a light-sensitive hybrid material and implement it as a light-activated peristaltic pump in the lab-in-fiber probe. In addition, given that a current limitation of organ-on-chip devices is the need to overly dilute the microbiome to avoid rapid unrestrained bacterial overgrowth, we will exploit the periodic deformations generated with the new material to mimic epithelial stretching and compression movements occurring in the living gut to help suppress bacteria overgrowth. These novel platforms will allow measuring in vivo, and culture in vitro, human gut microbiota metabolites that are related to obesity and cardiometabolic diseases.

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.

The Arctic Ocean (AO) is one of the areas most sensitive to ongoing global warming. Changes in temperature may have cascading effects on the Arctic’s interlinked and delicately balanced food web which will not only threaten life in the Arctic region, they also could have impacts on Earth’s climate. Phytoplankton, the most important organisms in Arctic, not only provide food at the base of the food web, they also convert carbon dioxide from the atmosphere into organic matter that eventually sinks to the ocean bottom-effectively extracting a heat-trapping greenhouse gas from the atmosphere.

As sea ice extent in AO continues to decrease due to global warming, light penetration into the ocean increases, which concomitantly increases the growth of phytoplankton. Primary production (PP) of the AO is likely to increase as many remote sensing studies have suggested. However, the performance of algorithms used to retrieve phytoplankton biomass for the Arctic Ocean have not been thoroughly evaluated. In terms of bottom-up control, estimating phytoplankton biomass with reasonable certainty is essential to improving our knowledge about marine ecosystem, its response to ongoing climate change and their impacts on human health in North communities.

Based on these facts, my project aims to develop a new semi-analytical ocean color algorithm that can be applied to the Pan-Arctic Ocean with reasonable accuracy.
Since sea ice cover has partly restricted field observations, samples taken from the AO are still sparse. Therefore, my first chapter will combine all available field data to create a geo-referenced dataset of in-situ measurements at Pan-Arctic scale from 1998 onwards with efficient and intelligent GIS tools. The second chapter will evaluate presently available satellite remote sensing algorithms using the GIS database built in the first chapter, which has not yet been done on the Pan-Arctic scale. I will then develop a new ocean color algorithm for Arctic waters utilizing phytoplankton ecology, RS & GIS. In the third chapter, the new algorithm will be applied to satellite imagery to examine the impacts on estimates of PP. Finally, all of the geo-referenced information derived from this project will be incorporated to a specific marine GIS dataset for various applications such as the management of marine resources, fisheries, meteorology service, human health etc.

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.

Mon projet consiste à concevoir un module autonome permettant de générer des motifs d’éclairages sur la surface d’un échantillon afin d’appliquer la méthode de super-résolution par illumination structurée dans un système microscopique. Le but de mon projet est d’améliorer spécifiquement la résolution du micro-endoscope conçu par Mr Bagramyan, étudiant en PhD de Mr Galstian, cependant cette méthode pourrait aussi s’appliquer pour les microscopes conventionnels. Tandis que la majorité des laboratoires utilisent des LCD ou des SLM pour produire le motif d’éclairage, nous proposons d’utiliser des éléments plus petits et moins coûteux.

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.

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.

Lakes, ponds and streams are major features of the northern landscape. The bottom rocks, gravels, sand and other substrates of these ecosystems are typically coated by biofilms, that is complex microbial communities composed of many species and functions embedded in a muco-polysaccharide gel. These northern biofilms range from micrometres to many millimetres in thickness, and in clear-water environments they can dominate the overall ecosystem biomass and biological productivity. To date there have been few ways to assess the sentinel responses of these important communities to environmental change.

The aim of this doctoral project to apply microfluidics technologies towards developing a robust instrument that can be used to grow and test northern biofilms, including in field laboratories. The project is transdisciplinary in that it merges the technological and chemical expertise of the Département de chimie with the microbiological and limnological expertise of the Département of biologie to create a highly innovative solution to a set of northern ecological problems. The project also harnesses resources from laboratories in each discipline, including microfluidic flow cell development and non-invasive spectroscopy techniques (laboratory of Professor Jesse Greener, directeur) and isolates of northern biofilm-producing cyanobacteria from the Polar Collection of Cyanobacteria and associated live-culture methodologies (laboratory of Professor Warwick Vincent, co-directeur). Additional experiments are being undertaken at the Canadian Light Source to further characterize the biofilms. The ultimate aim is to produce a ‘smart instrument system’ that will automatically test the response of cyanobacteria toward a series of alterations in environment as well as make autonomous classifications of bacterial types using computer algorithms and adaptive acquisition parameters. The project involves a partnership with industry, including Canadian microfluidic company, FlowJEM Inc., with the specific goal of custom designed state-of-the-art microfluidic chips for in the emerging field of rapid environmental and bioanalytical assays.

This project proposes to develop the next generation version of the EcoChip, the Micro-EcoChip, which will leverage microelectronics and integrated circuit technology to achieve unprecedented levels of miniaturization giving access to extremely hard to reach location and drastically decreasing the environmental footprint of the system. The objective of this research project is to design and implement a micro-scale electronic chip to detect and measure microorganisms growth rate along with several environmental parameters in diverse environments. Growth rate will be measure using on chip electro-chemical impedance spectroscopy (EIS), which is a well-known, widespread and robust technique in this area. -This project consists of designing an integrated circuit to continuously assess growth rate of the microorganisms by measuring their real-time impedance through EIS, which is a highly sensitive and label-free method. One of the main challenge will be to design and fabricate a custom integrated circuit that will provide several functions in a single chip for monitoring the microorganism growth as well as the temperature, the pH, humidity, illumination, and CO2 level in a cold and remote environment. One of the main advantage of using an IC is a dramatic improvement of measurement accuracy using a custom integrated sensor design while decreasing the power consumption. Additionally, this IC will be adaptive, autonomous, provide high precision, be fast and inexpensive for high-volume production in comparison to the larger EcoChip electronic board. In fact, it is expected that the size of the EcoChip will be greatly decreased by implementing the bio-sensor array directly on the top of the chip, giving a final volume fitting within 1 cm^3, which represents a decrease of more than 1×10^6 times compared to the previous EcoChip prototype. This will allow to place the micro scale chip in much more diverse and hard to reach environments, like in northern regions and deserts for longer periods of time. Along the project, different micro-prototypes will be transferred to Northern research sites by the Professor Michel Allard’s team, Department of Geography, who is co-investigator in Project 3.2, and who is specialist of this area. In summary, the project goals are to design, fabricate, test and improve a micro-scale, adaptive, autonomous and high-precision chip.

This project aims to develop a wireless autonomous microsystem for performing diffuse multi-wavelength spectroscopy at microscale. The envisioned microsystem is adaptive, autonomous, and smart, which will enable deployment in a distributed fashion for label-free spectroscopic imaging of complex structures and diverse materials like human tissues, microorganisms, ice, snow, etc., in the field, over a long period. The extracted spectroscopy data will be passed to a mathematical model developed within the framework of project 2.4 to derive the sample optical properties for purposes of diagnostics. Designing such a system requires design and fabrication knowledge of CMOS microelectronics, optoelectronics, and MEMS, to benefit from a multi-technology approach. Additionally, it requires knowledge of physics, mathematics and related engineering softwares for modeling the data.

Having such a device to perform distributed spectroscopy within a miniature format will allow us for quantitative measurements of the local tissue composition and structure, as well as characterization of the involved metabolisms and neurochemicals. Indeed, passing multiple wavelengths through a biological tissue using such a microsystem will enable us to detect the early stages of the tissue histo-architecture alterations accompanying disease development, including cancer. A label-free optical spectroscopy techniques that utilize light ranging from the ultraviolet (UV: 380-740nm) to the infrared (Near Infrared (NIR): 740nm-3um, Mid-IR: 3um-50um, and FAR Infrared: 50um-1000um) ranges of the spectrum can help us to detect specific neurochemicals to find out about a variety of neurological and psychiatric disorders including epilepsy, schizophrenia, Parkinson’s disease, and Alzheimer’s dementia. The extracted data must be further analyzed and interpreted using mathematical reconstruction algorithms based on models describing light propagation in diffuse media.

The proposed project includes two main aspects, namely 1) multi-technology microsystem design to fabricate a microelectronic chip performing distributed multi-wavelength spectroscopy, and 2) analysis of the extracted data thanks to specific and novel mathematical models. Dr. Gosselin and Dr. Marquet will bring all the necessary expertise to supervise this innovative project and to conduct it to the most successful outcome.

Obesity is an important health issue among indigenous populations in the Canadian north and has emerged as a consequence of a change in dietary intake from the ancestral to a more western-style diet. Several publications suggested that such modifications in dietary habits promote gut dysbiosis, an imbalance of the bacterial composition of the gut microbiota, which has been shown to affect intestinal barrier function causing an increase in intestinal permeability and lipopolysaccharide (LPS) in circulation, leading to a low-grade inflammatory and insulin resistance.

The Marette lab has shown in mice that addition of local northern fruits could prevent metabolic disturbances caused by a western-style high-fat diet (HFD), ameliorate gut dysbiosis and protect against the induction of inducible nitric oxide synthase (iNOS) in the colon. Indeed, one of the first signs of inflammation is the induction of iNOS, a well-established marker of M1 immune activation, in response to bacterial endotoxins, inflammatory cytokines and nutrient overload. iNOS generates the bacterio-toxic gas, nitric oxide (NO), at a high rate and for prolonged time periods. Work from the Marette lab has shown that mice lacking iNOS were protected from high-fat diet (HFD) and lipid-induced insulin resistance. Unpublished work from the lab showed that feeding a HFD for only 24 h led to whole body glucose intolerance and iNOS induction in liver, muscle and colon. Surprisingly, these effects were almost completely abolished in mice lacking the expression of iNOS (iNOS KO) which are protected from inflammation. Furthermore, iNOS KO mice also showed increased expression of factors implicated in gut barrier function. Since it has been shown that HFD leads to increase of iNOS expression in the colon the aim of the present study is to evaluate whether HFD induced iNOS expression is causally linked to a change in the gut microbiome in obesity, and whether this can be alleviated by arctic fruit polyphenols.

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.

Les techniques d’investigation, de diagnostic et de suivi de la douleur chronique souffrent d’un manque cruel de progrès. Alors que les technologies pour sonder le cerveau connaissent un progrès fulgurant depuis l’avènement de l’optogénétique, les techniques pour sonder la moelle épinière demeurent rudimentaires. En effet, les technologies adaptées au cerveau ne fonctionnent pas pour l’étude de la moelle épinière étant donné sa mobilité et sa taille. De plus, l’implantation d’électrodes ou de fibres optiques directement dans la moelle produit des effets néfastes pour l’animal (paralysie, hypo/hypersensibilité). Récemment, il a été démontré par notre laboratoire qu’une fibre optique pouvait être implantée dans l’espace épidural pour stimuler ou inhiber les neurones de la moelle avec la lumière. De plus, le Centre d’optique, photonique et laser de l’Université Laval est une sommité mondiale dans la production de fibres optiques de tous genre pouvant accomplir des fonctions diverses. Celles-ci peuvent par exemple recueillir un signal optique à différent point sur leur longueur et sentir différent paramètres physiques et chimiques (température, déformation, pH, etc.). Ainsi, notre but est de produire un capteur multifonction permettant de sonder plusieurs paramètres de la moelle in vivo. Ces paramètres seraient mesurés en réponse à un stimulus douloureux ou dans des animaux en douleur chronique pour déterminer s’ils peuvent être utilisés comme biomarqueurs de la douleur. Ce capteur prendrait la forme d’un feuillet de fibres couvrant entièrement la partie dorsale de la moelle épinière sur une longueur de plusieurs segments spinaux. Il serait conçu avec comme objectif final son implantation chez des sujets humains. Si ce projet est mené à terme, il pourrait révolutionner les techniques de diagnostic et de suivi des patients atteints de douleur chronique en plus d’ouvrir de nouveaux horizons pour la recherche fondamentale sur la douleur.

In Canada’s Northern populations, nutrition is targeted as an important cause of many cardiometabolic and mental diseases. Scientific evidence increasingly supports the conclusion that environmental factors, such as changes in diet, are at the origin of important disturbances in the intestinal microbiome which could potentially drive pathogenic mechanisms of cardiometabolic and mental diseases. Bile acids (BA) are generated from cholesterol in the liver, stored in the gallbladder and secreted in the intestine during meals. Since BA bioconversion is crucially dependent on the microbiota makeup, they are currently viewed as potential markers of microbiome disturbances. Furthermore, given that current analytical methods used to measure gut microbiota metabolites are costly and time-consuming procedures, alternate methods that rely on simpler and faster instrumentation are sought.
 
Raman spectroscopy is a non-destructive and label-free molecular identification technique that produces a highly specific spectrum with various bands correlated to molecular structure. Moreover, the enhanced detection sensitivity offered by Surface-Enhanced Raman spectroscopy (SERS) allows analyzing mixtures of related chemical species in a relatively short measurement time. Combining SERS with machine learning allows in some cases to increase detection and classification capabilities even further. The present project aims to develop a BA-selective sensor based on Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) to differentiate and classify BA in the gastrointestinal tract. 

Imaging zebrafish and its calcium activity in the brain as well as imaging microbiota. Modify the microscope and set up the peripheral control system. Modify the microbiota to see the impact on the activity of the brain. Optimize imaging protocols.

Allant de la préhension aux manipulations de haute précision, en passant par le langage non-verbal, les diverses fonctionnalités de la main humaine en font un outil unique et essentiel à nos activités quotidiennes. Il existe ainsi un grand vide à combler pour les personnes vivant avec une amputation chirurgicale ou congénitale. Pour pallier à cette perte de capacités, la conception de prothèses pose alors des défis d’ingénierie multiples afin de bien répondre aux besoins de ses utilisateurs. Il faut non seulement reproduire les fonctionnalités complexes de la main, mais aussi procurer une interface de contrôle intuitive et adaptée au patient.

Les prothèses myoélectriques offrent une solution faisant appel à l’électromyographie (EMG) de surface pour permettre le contrôle de la prothèse via la contraction des muscles du membre amputé. Le projet de recherche propose une méthode de contrôle par reconnaissance des intentions de l’utilisateur via électromyographie à haute-densité (HD-EMG) et apprentissage profond. Cette nouvelle approche se veut plus intuitive que l’offre commerciale et clinique actuelle en tirant profit des patrons de contraction des muscles utilisés pour la flexion et extension naturelle des doigts de la main pour commander la prothèse. Un capteur HD-EMG portatif est conçu sur mesure pour permettre une facilité d’usage accrue grâce à un dispositif unique intégrant toutes les électrodes nécessaires. De plus, l’approche par apprentissage profond utilise un réseau de neurones à convolution jouissant d’une robustesse inhérente au positionnement du capteur. Une stratégie d’entraînement du réseau par transfert de représentation est employée pour réduire le fardeau des données et le temps d’entraînement pour l’utilisateur final. Le résultat est un système myoélectrique confortable et performant qui s’installe et se calibre en quelques minutes seulement. Proposant une utilisation novatrice de l’intelligence artificielle dans un système portatif et personnalisé, l’objectif est de rétablir non seulement les capacités d’interaction, mais surtout la dextérité du membre amputé via un mode de contrôle plus intuitif, facile d’usage et robuste. Ainsi, on répond mieux aux besoins des patients amputés dont le taux d’acceptation des prothèses myoélectriques est bas, malgré les promesses technologiques.

Les méthodes actuelles pour la caractérisation de la neige sont lentes et peu efficaces. De plus, elles ne permettent pas de mesurer les propriétés de la neige tout au long de l’année. L’intention de ce projet de maitrise est de développer un appareil utilisant la polarisation de la lumière pour pouvoir répondre à ces inconvénients. Les propriétés optiques de la neige sont la densité, le paramètre d’amplification de l’absorption, la fonction de phase des grains et la surface spécifique. Plusieurs études démontrent qu’il est possible de déterminer ces propriétés en regardant le transfert radiatif de la neige. Dans le cadre du projet, la principale propriété étudiée sera la surface spécifique. La méthode de la caractérisation de cette dernière reste à déterminer puisque le projet est encore en phase exploratoire, mais l’approche est simple. Suite au passage de la lumière dans la neige, une analyse en polarisation sera faite qui permettra de déterminer une ou plusieurs propriétés de la neige. Cet appareil sera conçu en collaboration avec Félix-Lévesque Desrosiers et sera constitué d’une diode laser, de polariseurs et de photodétecteurs.​

Le projet consiste à créer un réseau de capteurs intelligent intégrant une multitude de capteurs interconnectés en étoile réalisant l’acquisition de différentes mesures physiologiques (électrocardiogramme (ECG), électromyographie de surface (sEMG), respiratoire et visuelle) et inertielles (détection de mouvement). La mesure de l’EEG se fera au travers d’un module qui prendra la forme de lunettes ou sous forme de bandeau d’électrodes. Le fait de recueillir toutes ces signaux physiologiques et comportementalistes permettront de statuer sur les signes vitaux et d’avoir un historique sur des potentiels risques suite à des dégradations de ces derniers. L’ensemble des capteurs communiquera par protocole Bluetooth 5 avec un cryptage en AES 128 bits pour assurer la confidentialité des données médicales vers une station réceptrice (où le traitement et les alertes seront opérés). De plus, un principe novateur basé sur la Blockchain sera intégré. Il s’agit de protéger les données sensibles des patients en les partageant de manière cryptée à plusieurs ordinateurs pour éviter les falsifications, le piratage ou la lecture erronée.  Enfin, des couches d’apprentissage machines et profonds seront utilisés pour réaliser des modèles d’intelligence artificielle. Ces modèles seront adaptés à l’application souhaité. Les modèles intelligents se voudront aussi généraliste puis personnalisable à l’application au cours du temps (il faudra néanmoins vérifier que la généralisation est possible. Dans le cas échéant, il sera adapté à l’individu).    

The EcoChip is being developed in the course of the Sentinel North sub-project 3.2 -Comprehensive environmental monitoring and valorisation: From molecules to microorganisms. The EcoChip has been jointly developed and validated in the laboratory by our multidisciplinary team, and utilized to collect bioenvironmental data in the field from the northern soils and ecosystems of Kuujjuarapik (2017) and Puvirnituq (2018), during two expeditions. We are currently working toward the development of a commercial version. We believe the EcoChip will fill the gap in the field of bioremediation and global bio-environmental monitoring, which both may represent major markets. The technology has reached a development stage that justified recently filing a provisional patent application. We are now seeking industrial partners that could use this technology in commercial applications. The EcoChip is a new autonomous wireless sensor platform intended for culturing and monitoring the growth of microorganisms and their environmental conditions in situ, in harsh environments, such as in northern climates. This platform includes a layered multiwell plate that allows the growth of single strain microorganisms, within a well of the plate, isolated from environmental samples from northern habitats. It can be deployed in the field for continuous monitoring of microbial growth within 96 individual wells through a multichannel electro-chemical impedance (EIS) monitoring circuit. The EIS monitoring system uses high performance off-the-shelf electronic components, presents low excitation voltage signal not to harm the cells and has a calibration network for high-precision. Additional sensors are provided for measuring environmental parameters such as luminosity, humidity, and temperature. The embedded electronic board is equipped with flash memory to store sensor data over long periods of time, as well as with a low-power micro-controller, and a power management unit to control and supply all electronic building blocks. When a receiver is located within the transmission range of the EcoChip, a low-power wireless transceiver allows transmission of sensor data stored in the flash memory. The performance of the system was successfully measured in vitro in a laboratory setting. The EcoChip can perform EIS analyses over an excitation frequency range of 750 Hz to 10 kHz with an accuracy of 2.35%. The complete system presents an average power consumption of 114.6 mW in normal operating mode and of only 0.14 mW in sleep mode.

The sensors developed for the measurement of biomolecules are, for the most part, intended to be used in complex matrices that contain a large amount of information, but also a lot of biological components that are undesirable for detection. Indeed, proteins and cells, to name only these, contribute to what is called non-specific adhesion. This phenomenon causes several problems of inaccuracy and durability of a sensor because it persists and amplifies over time if no action is taken to stop it.

Surface chemistry allows us to exploit a concept called antifouling that defines the ability to minimize or eliminate non-specific adhesion in a biological environment. It is mainly to incorporate one or more types of anti-fouling molecule and a sensor molecule in a ratio to 1) maximize sensitivity and 2) minimize non-specific adhesion.

The first application for which these surfaces are developed is the detection of prostate cancer in human blood serum. Detection is possible using localized surface plasmon resonance (LSPR) combining the sensitivity and selectivity of metallic nanoarchitectures decorated with an anti-fouling polymer and a tumor associated carbohydrate antigen. This sensor, synthesized in the laboratory, makes it possible to detect the presence of an antibody expressed by the immune system from early cells mutations of the prostate during cancerogenesis. Finally, the development of these surfaces is made to be suitable to several substrates (glass, paper, etc.) and for different sensors. Indeed, for other target, the surfaces remain simply invariable except for the sensor structure which comprises a spacer whose one end can be modified via chemical coupling reactions. This is what will be done in the evelopment of surfaces for the detection of another antibody, but this time to detect Lyme disease, which has become alarming in North America.

The main purpose of the project is devoted to the development of reconsidered fiber photometry platform from neuroscience to electronics aspects. Fluorescence photometry is a powerful technique for measuring the activity of the neurons in the brain using high-sensitivity laboratory apparatus which helps researchers to learn about brain function. Such a brain implantable wireless device can record freely moving laboratory animals neurocircuits with a minimum amount of noise and a high dynamic range. In the meanwhile, there would be lots of experimental consideration which affects imaging techniques, electronics and photonics designs of the platform.