A robust algorithm for segmenting fluorescence images and its application to single-molecule counting

La microscopie par fluorescence de cellules vivantes produit de grandes quantités de données. Ces données sont composées d’une grande diversité au niveau de la forme des objets d’intérêts et possèdent un ratio signaux/bruit très bas. Pour concevoir un pipeline d’algorithmes efficaces en traitement d’image de microscopie par fluorescence, il est important d’avoir une segmentation robuste et fiable étant donné que celle-ci constitue l’étape initiale du traitement d’image. Dans ce mémoire, je présente MinSeg, un algorithme de segmentation d’image de microscopie par fluorescence qui fait peu d’assomptions sur l’image et utilise des propriétés statistiques pour distinguer le signal par rapport au bruit. MinSeg ne fait pas d’assomption sur la taille ou la forme des objets contenus dans l’image. Par ce fait, il est donc applicable sur une grande variété d’images. Je présente aussi une suite d’algorithmes pour la quantification de petits complexes dans des expériences de microscopie par fluorescence de molécules simples utilisant l’algorithme de segmentation MinSeg. Cette suite d’algorithmes a été utilisée pour la quantification d’une protéine nommée CENP-A qui est une variante de l’histone H3. Par cette technique, nous avons trouvé que CENP-A est principalement présente sous forme de dimère.

Distributed conditional computation

L'objectif de cette thèse est de présenter différentes applications du programme de recherche de calcul conditionnel distribué. On espère que ces applications, ainsi que la théorie présentée ici, mènera à une solution générale du problème d'intelligence artificielle, en particulier en ce qui a trait à la nécessité d'efficience. La vision du calcul conditionnel distribué consiste à accélérer l'évaluation et l'entraînement de modèles profonds, ce qui est très différent de l'objectif usuel d'améliorer sa capacité de généralisation et d'optimisation. Le travail présenté ici a des liens étroits avec les modèles de type mélange d'experts. Dans le chapitre 2, nous présentons un nouvel algorithme d'apprentissage profond qui utilise une forme simple d'apprentissage par renforcement sur un modèle d'arbre de décisions à base de réseau de neurones. Nous démontrons la nécessité d'une contrainte d'équilibre pour maintenir la distribution d'exemples aux experts uniforme et empêcher les monopoles. Pour rendre le calcul efficient, l'entrainement et l'évaluation sont contraints à être éparse en utilisant un routeur échantillonnant des experts d'une distribution multinomiale étant donné un exemple. Dans le chapitre 3, nous présentons un nouveau modèle profond constitué d'une représentation éparse divisée en segments d'experts. Un modèle de langue à base de réseau de neurones est construit à partir des transformations éparses entre ces segments. L'opération éparse par bloc est implémentée pour utilisation sur des cartes graphiques. Sa vitesse est comparée à deux opérations denses du même calibre pour démontrer le gain réel de calcul qui peut être obtenu. Un modèle profond utilisant des opérations éparses contrôlées par un routeur distinct des experts est entraîné sur un ensemble de données d'un milliard de mots. Un nouvel algorithme de partitionnement de données est appliqué sur un ensemble de mots pour hiérarchiser la couche de sortie d'un modèle de langage, la rendant ainsi beaucoup plus efficiente. Le travail présenté dans cette thèse est au centre de la vision de calcul conditionnel distribué émis par Yoshua Bengio. Elle tente d'appliquer la recherche dans le domaine des mélanges d'experts aux modèles profonds pour améliorer leur vitesse ainsi que leur capacité d'optimisation. Nous croyons que la théorie et les expériences de cette thèse sont une étape importante sur la voie du calcul conditionnel distribué car elle cadre bien le problème, surtout en ce qui concerne la compétitivité des systèmes d'experts.

Méthode efficace d'assignation de tissus humains par tomodensitométrie à double énergie

Pour analyser les images en tomodensitométrie, une méthode stœchiométrique est gé- néralement utilisée. Une courbe relie les unités Hounsfield d’une image à la densité électronique du milieu. La tomodensitométrie à double énergie permet d’obtenir des informations supplémentaires sur ces images. Une méthode stœchiométrique a été dé- veloppée pour permettre de déterminer les valeurs de densité électronique et de numéro atomique effectif à partir d’une paire d’images d’un tomodensitomètre à double énergie. Le but de cette recherche est de développer une nouvelle méthode d’identification de tissus en utilisant ces paramètres extraits en tomodensitométrie à double énergie. Cette nouvelle méthode est comparée avec la méthode standard de tomodensitométrie à simple énergie. Par ailleurs, l’impact dosimétrique de bien identifier un tissu est déterminé. Des simulations Monte Carlo permettent d’utiliser des fantômes numériques dont tous les paramètres sont connus. Les différents fantômes utilisés permettent d’étalonner les méthodes stœchiométriques, de comparer la polyvalence et la robustesse des méthodes d’identification de tissus double énergie et simple énergie, ainsi que de comparer les distributions de dose dans des fantômes uniformes de mêmes densités, mais de compo- sitions différentes. La méthode utilisant la tomodensitométrie à double énergie fournit des valeurs de densi- tés électroniques plus exactes, quelles que soient les conditions étudiées. Cette méthode s’avère également plus robuste aux variations de densité des tissus. L’impact dosimé- trique d’une bonne identification de tissus devient important pour des traitements aux énergies plus faibles, donc aux énergies d’imagerie et de curiethérapie.

Préparation de réseaux organiques covalents monocristallins par polymérisation de composés polynitroso aromatiques.

La construction modulaire est une stratégie émergente qui permet la fabrication de matériaux ordonnés à l’échelle atomique. Elle consiste en l’association programmée de sous-unités moléculaires via des sites réactifs judicieusement sélectionnés. L’application de cette stratégie a d’ores et déjà produit des matériaux aux propriétés remarquables, notamment les réseaux organiques covalents, dans lesquels des atomes de carbone et d’autres éléments légers sont liés de manière covalente. Bien que des matériaux assemblés par des interactions non-covalentes puissent être préparés sous la forme de monocristaux macroscopiques de cette façon, ceci n’était pas possible dans le cas des réseaux organiques covalents. Afin de pallier cette lacune, nous avons choisi d’étudier des réactions de polymérisation réversibles ayant lieu par un mécanisme d’addition. En effet, l’hypothèse de départ de cette thèse suppose qu’un tel processus émule le phénomène de cristallisation classique – régi par des interactions non-covalentes – et favorise la formation de monocristaux de dimensions importantes. Pour tester la validité de cette hypothèse, nous avons choisi d’étudier la polymérisation des composés polynitroso aromatiques puisque la dimérisation des nitrosoarènes est réversible et procède par addition. Dans un premier temps, nous avons revu en profondeur la littérature portant sur la dimérisation des nitrosoarènes. À partir des données alors recueillies, nous avons conçu, dans un deuxième temps, une série de composés polynitroso ayant le potentiel de former des réseaux organiques covalents bi- et tridimensionnels. Les paramètres thermodynamiques propres à leur polymérisation ont pu être estimés grâce à l’étude de composés mononitroso modèles. Dans un troisième temps, nous avons synthétisé les divers composés polynitroso visés par notre étude. Pour y parvenir, nous avons eu à développer une nouvelle méthodologie de synthèse des poly(N-arylhydroxylamines) – les précurseurs directs aux composés polynitroso. Dans un quatrième temps, nous avons étudié la polymérisation des composés polynitroso. En dépit de difficultés d’ordre pratique causées par la polymérisation spontanée de ces composés, nous avons pu identifier les conditions propices à leur polymérisation en réseaux organiques covalents hautement cristallins. Plusieurs nouveaux réseaux covalents tridimensionnels ont ainsi été produits sous la forme de monocristaux de dimensions variant entre 30 µm et 500 µm, confirmant la validité de notre hypothèse de départ. Il a par conséquent été possible de résoudre la structure de ces cristaux par diffraction de rayons X sur monocristal, ce qui n’avait jamais été possible dans le passé pour ce genre de matériau. Ces cristaux sont remarquablement uniformes et les polymères qui les composent ont des masses moléculaires extrêmement élevées (1014-1017 g/mol). Toutefois, la polymérisation de la majorité des composés polynitroso étudiés a plutôt conduit à des solides amorphes ou à des solides cristallins constitués de la forme monomérique de ces composés. D’autres composés nitroso modèles ont alors été préparés afin d’expliquer ce comportement, et des hypothèses ont été émises à partir des données alors recueillies. Enfin, les structures de plusieurs composés polynitroso ayant cristallisés sous une forme monomérique ont été analysés en détails par diffraction des rayons X. Notre stratégie, qui consiste en l’utilisation de monomères ayant la capacité de polymériser spontanément par un processus d’addition réversible, semble donc prometteuse pour obtenir de nouveaux réseaux covalents monocristallins à partir de composés polynitroso ou d’autres monomères de nature similaire. De plus, les résultats présentés au cours de cette thèse établissent un lien entre la science des polymères et la chimie supramoléculaire, en illustrant comment des structures ordonnées, covalentes ou non covalentes, peuvent toutes deux être construites de façon prévisible.

Establishing a Robust In Vitro Embryonic Stem Cell Differentiation Assay to Monitor the Hematopoietic Potential of DELES Clones

Afin d’effectuer des études fonctionnelles sur le génome de la souris, notre laboratoire a généré une bibliothèque de clones de cellules souches embryonnaires (ESC) présentant des suppressions chromosomiques chevauchantes aléatoires – la bibliothèque DELES. Cette bibliothèque contient des délétions couvrant environ 25% du génome murin. Dans le laboratoire, nous comptons identifier de nouveaux déterminants du destin des cellules hématopoïétiques en utilisant cet outil. Un crible primaire utilisant la benzidine pour démontrer la présence d'hémoglobine dans des corps embryoïdes (EBS) a permis d’identifier plusieurs clones délétés présentant un phénotype hématopoïétique anormal. Comme cet essai ne vérifie que la présence d'hémoglobine, le but de mon projet est d'établir un essai in vitro de différenciation des ESC permettant de mesurer le potentiel hématopoïétique de clones DELES. Mon hypothèse est que l’essai de différenciation hématopoïétique publié par le Dr Keller peut être importé dans notre laboratoire et utilisé pour étudier l'engagement hématopoïétique des clones DELES. À l’aide d’essais de RT-QPCR et de FACS, j’ai pu contrôler la cinétique de différenciation hématopoïétique en suivant l’expression des gènes hématopoïétiques et des marqueurs de surface comme CD41, c-kit, RUNX1, GATA2, CD45, β-globine 1 et TER-119. Cet essai sera utilisé pour valider le potentiel hématopoïétique des clones DELES candidats identifiés dans le crible principal. Mon projet secondaire vise à utiliser la même stratégie rétro-virale a base de Cre-loxP utilisée pour générer la bibliothèque DELES pour générer une bibliothèque de cellules KBM-7 contenant des suppressions chromosomiques chevauchantes. Mon but ici est de tester si la lignée cellulaire leuémique humaine presque haploïde KBM-7 peut être exploitée en utilisant l'approche DELES pour créer cette bibliothèque. La bibliothèque de clones KBM-7 servira à définir les activités moléculaires de drogues anti-leucémiques potentielless que nous avons identifiées dans le laboratoire parce qu’elles inhibent la croissance cellulaire dans plusieurs échantillons de leucémie myéloïde aiguë dérivés de patients. Elle me permettra également d'identifier les voies de signalisation moléculaires qui, lorsque génétiquement perturbées, peuvent conférer une résistance à ces drogues.

Ship-in-a-bottle synthesis of 2,4,6-triphenylthiapyrylium cations encapsulated in zeolites Y and beta: a novel robust photocatalyst

The 2,4,6-triphenylthiapyrylium ion has been obtained imprisoned inside the supercages of the tridirectional, large pore zeolites Y and beta via ship-in-a-bottle synthesis from chalcone and acetophenone in the presence of hydrogen sulfide. The resulting solids are efficient and robust photocatalysts that are able to degrade phenol and aniline in water with a higher efficiency than the P-25 TiO2 standard. Preliminary tests have shown that these encapsulated dye materials are also efficient photocatalysts for the oxidative degradation of malodorous sulfurcontaining molecules.

Optical and electrical properties of amorphous zinc tin oxide thin films examined for thin film transistor application

Structural, electronic, and optical properties of amorphous and transparent zinc tin oxide films deposited on glass substrates by pulsed laser deposition (PLD) were examined for two chemical compositions of Zn:Sn=1:1 and 2:1 as a function of oxygen partial pressure PO2 used for the film deposition and annealing temperature. Different from a previous report on sputter-deposited films Chiang et al., Appl. Phys. Lett. 86, 013503 2005 , the PLD-deposited films crystallized at a lower temperature 450 °C to give crystalline ZnO and SnO2 phases. The optical band gaps Tauc gaps were 2.80−2.85 eV and almost independent of oxygen PO2 , which are smaller than those of the corresponding crystals 3.35−3.89 eV . Films deposited at low PO2 showed significant subgap absorptions, which were reduced by postthermal annealing. Hall mobility showed steep increases when carrier concentration exceeded threshold values and the threshold value depended on the film chemical composition. The films deposited at low PO2 2 Pa had low carrier concentrations. It is thought that the low PO2 produced high-density oxygen deficiencies and generated electrons, but these electrons were trapped in localized states, which would be observed as the subgap absorptions. Similar effects were observed for 600 °C crystallized films and their resistivities were increased by formation of subgap states due to the reducing high-temperature condition. High carrier concentrations and large mobilities were obtained in an intermediate PO2 region for the as-deposited films.

Optical absorption studies in ion implanted and amorphous semiconductors - Investigations in some tetrahedrally co-ordinated and chalcogenide materials

The thesis provides an overall review and introduction to amorphous semiconductors, followed by a brief discussion on the important structural models proposed for chalcogenide glasses and their electrical, optional and thermal properties. It also gives a brief description of the Physics of thin films, ion implantation and Photothermal Deflection Spectroscopy. A brief description of the experimental setup of a photothermal deflection spectrometer and the details of the preparation and optical characterization of the thin film samples. It deals with the employment of the subgap optional absorption measurement by PDS to characterize the defects, amorphization and annealing behavior in silicon implanted with B+ ions and the profiles of ion range and vacancy distribution obtained by the TRIM simulation. It reports the results of all absorption measurements by PDS in nitrogen implanted thin film samples of Ge-Se and As-Se systems

Fabrication of thin films and nano columnar structures of Fe-Ni amorphous alloys and modification of its surface properties by thermal annealing and swift heavy ion irradiation for tailoring the magnetic properties

Department of Physics, Cochin University of Science and Technology

Information Discovery in Distributed Systems-A Novel Concept Based on Modelling of Information Elements

Sharing of information with those in need of it has always been an idealistic goal of networked environments. With the proliferation of computer networks, information is so widely distributed among systems, that it is imperative to have well-organized schemes for retrieval and also discovery. This thesis attempts to investigate the problems associated with such schemes and suggests a software architecture, which is aimed towards achieving a meaningful discovery. Usage of information elements as a modelling base for efficient information discovery in distributed systems is demonstrated with the aid of a novel conceptual entity called infotron.The investigations are focused on distributed systems and their associated problems. The study was directed towards identifying suitable software architecture and incorporating the same in an environment where information growth is phenomenal and a proper mechanism for carrying out information discovery becomes feasible. An empirical study undertaken with the aid of an election database of constituencies distributed geographically, provided the insights required. This is manifested in the Election Counting and Reporting Software (ECRS) System. ECRS system is a software system, which is essentially distributed in nature designed to prepare reports to district administrators about the election counting process and to generate other miscellaneous statutory reports.Most of the distributed systems of the nature of ECRS normally will possess a "fragile architecture" which would make them amenable to collapse, with the occurrence of minor faults. This is resolved with the help of the penta-tier architecture proposed, that contained five different technologies at different tiers of the architecture.The results of experiment conducted and its analysis show that such an architecture would help to maintain different components of the software intact in an impermeable manner from any internal or external faults. The architecture thus evolved needed a mechanism to support information processing and discovery. This necessitated the introduction of the noveI concept of infotrons. Further, when a computing machine has to perform any meaningful extraction of information, it is guided by what is termed an infotron dictionary.The other empirical study was to find out which of the two prominent markup languages namely HTML and XML, is best suited for the incorporation of infotrons. A comparative study of 200 documents in HTML and XML was undertaken. The result was in favor ofXML.The concept of infotron and that of infotron dictionary, which were developed, was applied to implement an Information Discovery System (IDS). IDS is essentially, a system, that starts with the infotron(s) supplied as clue(s), and results in brewing the information required to satisfy the need of the information discoverer by utilizing the documents available at its disposal (as information space). The various components of the system and their interaction follows the penta-tier architectural model and therefore can be considered fault-tolerant. IDS is generic in nature and therefore the characteristics and the specifications were drawn up accordingly. Many subsystems interacted with multiple infotron dictionaries that were maintained in the system.In order to demonstrate the working of the IDS and to discover the information without modification of a typical Library Information System (LIS), an Information Discovery in Library Information System (lDLIS) application was developed. IDLIS is essentially a wrapper for the LIS, which maintains all the databases of the library. The purpose was to demonstrate that the functionality of a legacy system could be enhanced with the augmentation of IDS leading to information discovery service. IDLIS demonstrates IDS in action. IDLIS proves that any legacy system could be augmented with IDS effectively to provide the additional functionality of information discovery service.Possible applications of IDS and scope for further research in the field are covered.

Amorphous Oxide Transparent Thin Films: Growth, Characterisation and Application to Thin Film Transistors

This work mainly concentrate to understand the optical and electrical properties of amorphous zinc tin oxide and amorphous zinc indium tin oxide thin films for TFT applications. Amorphous materials are promising in achieving better device performance on temperature sensitive substrates compared to polycrystalline materials. Most of these amorphous oxides are multicomponent and as such there exists the need for an optimized chemical composition. For this we have to make individual targets with required chemical composition to use it in conventional thin film deposition techniques like PLD and sputtering. Instead, if we use separate targets for each of the cationic element and if separately control the power during the simultaneous sputtering process, then we can change the chemical composition by simply adjusting the sputtering power. This is what is done in co-sputtering technique. Eventhough there had some reports about thin film deposition using this technique, there was no reports about the use of this technique in TFT fabrication until very recent time. Hence in this work, co-sputtering has performed as a major technique for thin film deposition and TFT fabrication. PLD were also performed as it is a relatively new technique and allows the use high oxygen pressure during deposition. This helps to control the carrier density in the channel and also favours the smooth film surface. Both these properties are crucial in TFT.Zinc tin oxide material is interesting in the sense that it does not contain costly indium. Eventhough some works were already reported in ZTO based TFTs, there was no systematic study about ZTO thin film's various optoelectronic properties from a TFT manufacturing perspective. Attempts have made to analyse the ZTO films prepared by PLD and co-sputtering. As more type of cations present in the film, chances are high to form an amorphous phase. Zinc indium tin oxide is studied as a multicomponent oxide material suitable for TFT fabrication.

Studies on Non-Resonant Multiphoton Processes in Atomic Hydrogen

In the present thesis we have formulated the Dalgarno-Lewis procedure for two-and three-photon processes and an elegant alternate expressions are derived. Starting from a brief review on various multiphoton processes we have discussed the difficulties coming in the perturbative treatment of multiphoton processes. A small discussion on various available methods for studying multiphoton processes are presented in chapter 2. These theoretical treatments mainly concentrate on the evaluation of the higher order matrix elements coming in the perturbation theory. In chapter 3 we have described the use of Dalgarno-Lewis procedure and its implimentation on second order matrix elements. The analytical expressions for twophoton transition amplitude, two-photon ionization cross section, dipole dynamic polarizability and Kramers-Heiseberg are obtained in a unified manner. Fourth chapter is an extension of the implicit summation technique presented in chapter 3. We have clearly mentioned the advantage of our method, especially the analytical continuation of the relevant expressions suited for various values of radiation frequency which is also used for efficient numerical analysis. A possible extension of the work is to study various multiphoton processcs from the stark shifted first excited states of hydrogen atom. We can also extend this procedure for studying multiphoton processes in alkali atoms as well as Rydberg atoms. Also, instead of going for analytical expressions, one can try a complete numerical evaluation of the higher order matrix elements using this procedure.