Dissertations / Theses on the topic 'Biophysique – Modèles mathématiques'

En plongée, lors d’une décompression, une partie des gaz dissous dans l’organisme est éliminée sous formede bulles qui peuvent être à l’origine d’accidents parfois sévères. Des modèles mathématiques permettentde déterminer des procédures de décompression par paliers fiables mais ne s’appliquent que pour certainesconfigurations de plongée (profondeur, durée, gaz respirés). Une extrapolation de ces modèles à denouveaux types d’exposition comme la plongée profonde aux mélanges est actuellement hasardeuse. Onsuppose ici qu’une modélisation biophysique des mécanismes de la décompression doit apporter dessolutions préventives plus sures, même pour des expositions moins explorées combinant azote et hélium.Deux modèles ont été élaborés pour la prévention des accidents articulaires et neurologiques, formesd’accident les plus fréquentes. Ils ont été corrélés à partir de bases de données et d’analyses de risqueexistantes. Tous deux permettent de représenter l’apparition de symptômes tardifs. Pour l’accidentarticulaire, on montre 1/ l’impact de la diffusion intra-tissulaire (entre un tendon et son voisinage) de gazinerte sur la dynamique d’amplification de la phase gazeuse générée 2/ une augmentation quantifiable durisque d’accident avec le volume de gaz généré 3/ une faible efficacité des paliers 4/ une efficacité modéréede la respiration d’oxygène pur aux paliers proches de la surface. Pour les accidents neurologiques, lemodèle global proposé permet d’estimer le volume instantané des microbulles formées dans les tissus(muscles et graisses) et transférées (via le système lymphatique par ex) dans le sang veineux de retour. Lasurcharge du filtre pulmonaire par les bulles est supposée être un événement précurseur dans la genèse del’accident. La méthode de corrélation du modèle, originale, utilise notamment des campagnes d’écoutes debulles circulantes par système Doppler après plongées, dont une dédiée à cette thèse. Il ressort de cesinvestigations que I/ le risque d’accident peut être relié au volume des bulles transféré dans le sang sur unepériode donnée II/ l’introduction de paliers profonds ne diminue pas le risque III/ la respiration d’oxygènepur aux paliers est très efficace pour réduire ce risque. Un deuxième modèle neurologique dédié à laprévention des accidents médullaires se produisant rapidement après la décompression et à la déterminationdes premiers paliers requis est aussi proposé. L’ensemble de ces trois modélisations offre des perspectivesde prévention intéressantes
During a scuba diving decompression, a part of the gas that is dissolved in the body is eliminated throughbubbles that can generate potentially severe forms of decompression sickness (DCS). Known mathematicalmodels allow the determination of safe decompression procedures by stages but can only be applied for alimited range of diving configurations (pressure, duration, breathing gas). An extrapolation of these modelsto new expositions such as deep/short dives using mixtures is currently hazardous. In the presented work itis deemed that a biophysical modeling of the decompression mechanisms can produce safer preventivesolutions even for less explored expositions combining nitrogen and helium. Two models have beendeveloped for the prevention of articular and neurological DCS, which are the most frequent forms ofinjury. Existing database and risk analyses have been used to correlate the models. Both predict potentialdelays for the occurrence of DCS symptoms after a decompression. For the articular model it is shown that1/ the intratissular diffusion of inert gases between a target tendon and its neighborhood impacts theamplification dynamics of the generated gas phase 2/ the more the generated gas volume, the bigger theDCS risk 3/ stages of short and moderate durations have a low efficiency 4/ the efficiency of pure oxygenbreathing in order to reduce the risk during the shallow stages is moderated. For neurological DCS, theproposed global model allows estimation of the instantaneous volume of microbubbles that are formed intissues (muscles and adipose tissues) and that are transferred via the lymphatic system for instance in thevenous blood. The overload of the pulmonary filter by bubbles is assumed to be a primary event in the DCSpathogenesis. The original model correlation method uses in particular the recording of circulating bubblessignals through Doppler detections campaigns. One of these campaigns is dedicated to the presented thesiswork. The analysis leads to the following conclusions: I/ the DCS risk is linked to the total bubbles volumethat is transferred into the blood over a given period II/ the introduction of deep stages does not decreasethe risk III/ the breathing of pure oxygen during the shallow stages is very efficient in reducing this risk. Asecond neurological model is proposed: it is dedicated to the prevention of spinal cord DCS forms whichoccur early after the decompression and to the determination of the first required stops. The threedeveloped models give interesting prevention perspectives

La cellule vivante est en permanence exposée à divers types de stress pouvant endommager ses composants. Quand les dommages induits sont détectés, des mécanismes de défense sont activés pour les maîtriser tout en gérant au mieux les ressources énergétiques disponibles et nécessaires au bon fonctionnement cellulaire. Si le stress est trop sévère et que le système ne peut se défendre, la mort sera inévitable. La réponse cellulaire au stress est orchestrée par des réseaux de signalisation intracellulaires qui présentent une complexité extraordinaire. Les espèces moléculaires constituant ces réseaux assurent des tâches diverses à travers des réactions biochimiques, formant des machineries de processus biologiques synchronisées. Notre approche dans cette thèse pour l’étude de ces réseaux consiste à les modéliser mathématiquement pour reproduire un phénomène observé et repérer ses acteurs clés, analyser leurs réactions en réponse à différents signaux, et éventuellement réaliser des prédictions assez précises et expérimentalement vérifiables qui peuvent se montrer d’une extrême utilité pour les applications thérapeutiques. Dans nos travaux, nous nous focalisons sur le stress thermique et sur la réponse cellulaire qui en résulte en termes de dynamique des espèces moléculaires impliquées, mais également de destin cellulaire (mort ou survie) à l’issue de l’exposition, nous abordons cette problématique par des modèles dynamiques décrivant la cinétique biochimique des variables du système en conséquence d’une variation de la température. Dans un premier temps, nous démontrons à travers des simulations, suivies par une validation expérimentale, que la forme temporelle du stress thermique impacte considérablement la survie cellulaire. Ce premier résultat met en évidence un mécanisme de saturation des espèces réparatrices en conséquence d’une exposition à des températures élevées. Dans un second temps, nous étudions la potentielle corrélation entre une variabilité introduite sur les niveaux de deux protéines du réseau de réponse au choc thermique et le phénomène de mort fractionnelle. Selon les prédictions de notre modèle, la variabilité des protéines chaperons (espèces réparatrices) mesurée expérimentalement ne suffit pas à elle seule à expliquer la mort fractionnelle, qui doit impliquer d’autres sources de variabilité. Enfin, une analyse des courbes iso-effet générées à l’aide d’un modèle générique de la réponse cellulaire aux stress transitoires nous montre l’existence de quatre régimes de sensibilité en fonction des paramètres durée-intensité du stress ainsi que des paramètres du réseau et de ses échelles de temps. Nos travaux soulignent le potentiel et l’utilité des modèles de réseaux dynamiques dans la caractérisation des courbes dose-effet
The living cell is constantly exposed to various types of stress that can damage its components. When the induced damages are detected, defense mechanisms are activated to repair them while optimally managing the energy resources available and necessary for cell function. If the stress is too severe and the system can not defend itself, death will be inevitable. The cellular response to stress is orchestrated by intracellular signaling networks that are extraordinarily complex. The molecular species constituting these networks perform various tasks through biochemical reactions, forming synchronized biological process machineries. Our approach in this thesis for the study of these networks is to model them mathematically to reproduce an observed phenomenon and identify its key players, analyze their reactions in response to different signals, and possibly make precise enough and experimentally verifiable predictions that can be of an extreme utility for therapeutic applications. In our studies, we focus on thermal stress and on the resulting cellular response in terms of the dynamics of the molecular species involved, but also of cell fate (death or survival) at the end of the exposure, we adress those questions by dynamic models describing the biochemical kinetics of system variables as a consequence of temperature variation. In a first step, we demonstrate through simulations, followed by experimental validation, that the temporal form of heat stress significantly impacts cell survival. This first result highlights a mechanism of saturation of the repair species as a consequence of exposure to high temperatures. In a second step, we study the potential correlation between a variability introduced on the levels of two proteins in the heat shock response network and the phenomenon of fractional killing. According to our model predictions, experimentally measured chaperone proteins (repair species) variability alone is not sufficient to explain fractional killing, which must involve other sources of variability. Finally, an analysis of the isoeffect curves generated by a generic model of the cellular response to transient stress shows the existence of four sensitivity regimes depending on the duration-intensity parameters of the stress as well as on the parameters of the response network and its time scales. Our work highlights the potential and utility of dynamic network models in the characterization of dose-response curves

La complexité du vivant est omniprésente à toutes les échelles : des interactions entre molécules individuelles aux réseaux d'interactions permettant à la cellule d'assurer ses fonctions vitales et de répondre aux stimuli. Cette thèse se veut être une application des outils de l'Automatique et de l'Informatique à certaines questions de la Biologie et Biochimie.
Pour cela, nous avons abordé le problème via deux aspects : le premier concerne la modélisation des interactions moléculaires en vue de prédire les modes de fixation et les affinités entre molécules. Puisque ces estimations nécessitent de considérer la flexibilité des acteurs, nous avons abordé, en premier lieu, la prédiction des conformations moléculaires qui reste un challenge majeur, caractérisé par ses aspects multimodal et de grandes dimensions. Nous avons alors développé une suite d'heuristiques autour d'un algorithme génétique central. Les paramètres de contrôle et les stratégies d'hybridation sont pilotés par un méta-algorithme permettant d'optimiser la recherche. En outre, des stratégies innovantes de parallélisation sur grilles d'ordinateurs ont été validées afin de réduire les temps de calculs. Enfin, pour entreprendre l'étude des conformations de plusieurs molécules, nous avons développé des algorithmes de criblage rapides basés sur la comparaison d'indices topologiques.
Nous avons également étudié un autre aspect en modélisant formellement certains graphes d'interactions, ceci à une toute autre échelle : celle des concentrations des molécules. Nous avons alors mis en évidence l'impact des modes d'interactions moléculaires sur la dynamique globale.

L'imagerie optique extrinsèque basée sur l'utilisation de colorants sensibles aux potentiels (VSD) est actuellement la seule technique de neuroimagerie offrant la possibilité d'observer l'activité d'une large population de neurones avec une forte résolution spatiale et temporelle. Dans cette thèse, notre but est d'étudier les origines biologiques du signal d'imagerie optique (signal VSD), étant donné que cette question reste sans réponse claire dans littérature. Identifier l'origine du signal VSD est difficile au niveau physiologique car les molécules de colorant reflètent la dynamique du potentiel de membrane de toutes les membranes du tissu cortical, incluant toutes les couches corticales, tous les types de cellules (excitatrices, inhibitrices, gliales) et tous les compartiments neuronaux (somas, axons, dendrites). Pour répondre à cette question, nous proposons dans cette thèse d'utiliser un modèle biophysique de colonne corticale, à une échelle mésoscopique, prenant en compte les paramètres neuronaux biologiques connus de la structure corticale. Le modèle est basé sur un microcircuit cortical à six populations de neurones interconnectés: une population excitatrice et une population inhibitrice dans chacune des trois principales couches du cortex. Chaque neurone est représenté par une structure morphologique réduite à compartiments avec une dynamique de type Hodgkin-Huxley. Le modèle est alimenté par une activité spontanée, des connexions latérales et une entrée thalamique d'intensité croissante. Les neurones isolés et le comportement en réseau ont été ajustés pour correspondre à des données publiées dans la littérature. Le modèle ainsi ajusté offre ainsi la possibilité de calculer le signal VSD avec une formule linéaire. Nous avons validé le modèle en comparant le signal VSD simulé et le signal VSD mesuré expérimentalement. Grâce à la construction compartimentale de ce modèle, nous confirmons et quantifions le fait que le signal VSD est le résultat d'une moyenne de plusieurs composantes, avec comme contribution majeure, l'activité dendritique des neurones excitateurs des couches superficielles du cortex. Le modèle suggère également que les neurones inhibiteurs, l'activité supraliminaire et les couches profondes participent également au signal, et ce de manière dépendante du temps et de la force de la réponse. Nous arrivons à la conclusion que le signal VSD possède une origine multicomposante dynamique et proposons un nouveau formalisme pour l'interpréter
Voltage-sensitive dye imaging (VSDI) is a powerful modern neuroimaging technique whose application is expanding worldwide because it offers the possibility to monitor the neuronal activation of a large population with high spatial and temporal resolution. In this thesis, we investigate the biological sources of the voltage-sensitive dye signal (VSD signal), since this question remains unresolved in the literature. What does the voltage-sensitive dye imaging signal measures? This question is difficult to resolve at the physiological level as the signal is multi-component: The dye reflects the dynamics of the membrane potential of all membranes in the neuronal tissue, including all layers of the circuitry, all cell types (excitatory, inhibitory, glial) and all neuronal compartments (somas, axons, dendrites). To answer this question, we propose to use a biophysical cortical column model, at a mesoscopic scale, taking into account biological and electrical neural parameters of the laminar cortical structure. The model is based on a cortical microcircuit, whose synaptic connections are made between six specific populations of neurons, excitatory and inhibitory neurons in three main layers. Each neuron is represented by a reduced compartmental description with conductance-based Hodgkin-Huxley neuron model. The model is fed by a thalamic input with increasing activity, background activity and lateral connections. Isolated neurons and network behavior have been adjusted to fit data published in the literature. The so-calibrated model offers the possibility to compute the VSD signal with a linear formula. We validated the model by comparing the simulated and the measured VSD signal. Thanks to the compartmental construction of this model, we confirm and quantify the fact that the VSD signal is the result of an average from multiple components, with excitatory dendritic activity of superficial layers as the main contribution. It also suggests that inhibitory cells, spiking activity and deep layers are contributing differentially to the signal dependently on time and response strength. We conclude that the VSD signal has a dynamic multi-component origin and propose a new framework for interpreting VSD data

Les causes et la dynamique de l'uwpelling ivoiro-ghanéen ont été récemment étudiées. Cette zone soutient une pêcherie de petits poissons pélagiques dont le plus dominant est la Sardinella aurita (S. aurita). Le succès du recrutement des premiers stades de développement de S. aurita est conditionné par la circulation locale qui permet soit de rapprocher les œufs et les larves des nourriceries, ou soit de les disperser vers le large où ils sont soumis à des conditions environnementales et trophiques défavorables. Les mécanismes par lesquels les conditions environnementales agissent pour réguler le recrutement de la S. aurita restent mal compris dans la région Nord du Golfe de Guinée, en particulier l'interaction potentielle entre la dispersion, la croissance et la mortalité des larves.L’objectif principal de la thèse est d'étudier l'impact de la disponibilité en nourriture sur la croissance et la dispersion des larves de sardinelles en utilisant une approche de modélisation numérique qui permet d'intégrer les processus hydrodynamiques, biogéochimiques et biologiques fondamentaux. Les résultats ont montré que les zones côtières sont les plus favorables à la rétention à cause de la présence des tourbillons qui agissent comme des barrières empêchant les œufs et les larves d'être emportés vers le large. Les pontes importantes ont lieu pendant la petite (Février) et la grande (Août,) saison d'upwelling. Les profondeurs de rétention maximale sont les couches de surface (0-25 m) et de subsurface (25-50 m). Elles sont associées aux maximum de distribution des champs de proies simulés et à la diminution de l'intensité du Courant de Guinée en profondeur
The causes and dynamics of the ivoiro-ghanean upwelling have recently been investigated. The northern Gulf of Guinea zone supports a fishery of small pelagic fish where the most abundant the Sardinella. aurita (S. aurita). The success of the recruitment of the early stages of the larvae into juveniles is essentially conditioned by the local circulation which allows either to bring the eggs and larvae closer to the often coastal nurseries where the juveniles can develop, or either to disperse them offshore where they are subject to predation and lack of food. The mechanisms by which environmental conditions act to regulate the recruitment of S. aurita remain poorly understood in the northern Gulf of Guinea region, especially the potential interaction between dispersal, growth and mortality of larvae. The main objective of the thesis is to study the impact of food availability on the growth and the dispersion of sardinella larvae during their dispersal phase using a numerical modeling approach that allows to integrate fundamental hydrodynamic, biogeochemical and biological processes (CROCO-PISCES, ICHTHYOP). The results showed that coastal areas are the most favorable for retention because of the presence of eddies which act as barriers preventing eggs and larvae advection offshore. The most important spawning takes place during the small (February) and large (August) upwelling season. The maximum retention depths are the surface layers (0-25 m) and subsurface (25-50 m). These maximum laying depths associated with the maximum distribution of the simulated prey fields and the decrease in the intensity of the Guinea Current at depth

Les ondes rétiniennes sont des bursts spontanées d'activité se propageant dans la rétine en développement, jouant un rôle fondamental dans le façonnage du système visuel et des circuits rétiniens. Ils disparaissent complètement à la maturation. Comprendre comment les ondes rétiniennes sont initiées et se propagent dans la rétine pourrait nous permettre de concevoir des protocoles pour déclencher de telles ondes rétiniennes dans la rétine adulte, s'attendant à réintroduire une certaine plasticité dans le tissu rétinien et les projections dans le cerveau. Dans ma thèse, je me suis concentré sur un stade spécifique de développement des ondes, appelé stade II, induit par des cellules spécifiques (SAC) et médiée par le neurotransmetteur acétylcholine. Les SAC immatures présentent un comportement d'éclatement spontané dû aux mécanismes cellulaires intrinsèques, qui disparaissent complètement lors de la maturation. En outre, les SAC immatures sont connectés par des connexions excitatrices, conduisant à des poussées d'activité en propagation. L'esprit général de ce travail de thèse est de proposer un modèle pour les ondes rétiniennes (i) suffisamment proche de la biophysique pour expliquer et proposer des expériences et (ii) suffisamment bien posé mathématiquement pour analyser sa dynamique sur des paramètres biophysiques variables. Dans ce contexte, nous avons voulu élucider les mécanismes qui font éclater les SAC immatures et comment les ondes rétiniennes commencent, se propagent et s'arrêtent. Nous avons proposé un modèle mathématique, fondé sur la biophysique, et à travers la théorie des bifurcations, nous expliquons les mécanismes cellulaires sous-jacents possibles des ondes rétiniennes, en soulignant les paramètres biophysiques pertinents contrôlant la propagation et la disparition des ondes. En plus de cela, nous avons analysé comment l'évolution de la conductance cholinergique due à la maturation des récepteurs nicotiniques modifie considérablement les caractéristiques de l'onde rétinienne. En particulier, il existe un intervalle très étroit de conductance de l'acétylcholine où la taille des ondes rétiniennes obéit à une distribution de loi de puissance, suggérant un mécanisme spécifique (homéostatique) stabilisant temporairement le réseau SAC dans cette gamme spécifique. En résumé, les résultats de cette thèse sont principalement théoriques, mais ils conduisent également à des prédictions expérimentales directement liées à la biologie
Retinal waves are spontaneous bursts of activity propagating in the developing retina, playing a fundamental role in shaping the visual system and retinal circuitry. They disappear completely upon maturation. Understanding how retinal waves are initiated and propagate in the retina could enable us to design protocols to trigger such retinal waves in the adult retina, expecting to reintroduce some plasticity in the retinal tissue and the projections in the brain. In my thesis, I have focused on a specific stage of development of waves, called stage II, induced by specific cells (SACs) and mediated by the neurotransmitter acetylcholine. Immature SACs exhibit a spontaneous bursting behavior due to intrinsic cellular mechanisms, which disappears completely upon maturation. Also, immature SACs are connected by excitatory connections, leading to propagating bursts of activity. The general spirit of this thesis work, is to propose a model for retinal waves (i) sufficiently close to biophysics to explain and propose experiments and (ii) suffciently well posed mathematically to analyse its dynamics upon varying biophysical parameters. In this context, we wanted to ellucidate the mechanisms causing immature SACs to burst and how retinal waves start, propagate and stop. We proposed a mathematical model, grounded on biophysics, and through bifurcations theory we explain the possible underlying cellular mechanisms of retinal waves, highlighting the relevant biophysical parameters controlling waves propagation and disparition. On top of that, we analyzed how the evolution of cholinergic conductance due to the maturation of nicotinic receptors dramatically changes the retinal wave characteristics. Especially, there is a very narrow interval of acetylcholine conductance where retinal waves size obey a power law distribution, suggesting a specific (homeostatic) mechanism stabilizing temporarily the SACs network in this specific range. To sum up, this thesis results are mainly theoretical, but they also lead to experimental predictions directly linked to biology

Ce manuscrit décrit et discute de l'intégration de matériel d'instrumentation pour le système µLAS, pour l'optimisation de l'analyse et de la séparation de molécules d'ADN. Dans un premier temps nous aborderons les techniques de séparations, leurs approches et stratégies. Et nous essaierons de répondre à cette question qui est posée quand une espèce migre : comment caractériser la compétition entre advection forcé et diffusion naturelle ? Pour optimiser et améliorer les performances des différentes technologies de séparation ainsi évoquées, il est nécessaire d'introduire les problématiques inhérentes à chacune. Car en effet il existe un large panel de moyens d'actionnements qui font migrer des molécules de multiples façon : par l'hydrodynamique, par l'électrophorèse ou encore des techniques mixant les deux approches. Ensuite nous introduirons la technologie µLAS et dans quel contexte technologique elle se place. Nous présenterons les principes physiques qui régissent les différentes étapes de fonctionnement de la technologie (concentration et séparation). Nous aborderons alors les développements réalisés lors de ce travail de thèse sur un mode de séparation temporel qui implique un nouveau modèle de puce. Enfin nous montrerons le travail de développement, à la fois de fabrication technologique mais aussi d'intelligence logicielle, pour mettre en place des gravures de pentes dans du silicium et ainsi enrichir le système µLAS. Puis nous introduirons le travail d'instrumentation réalisé tout au long de ces 3 ans sur un banc d'expérimentation dédié. Ce chapitre sera organisé de façon à introduire un lecteur non averti aux bases et problématiques inhérent à la programmation, à l'instrumentation et à l'automatisation de systèmes pilotables par LabVIEW. Nous nous servirons de ces bases pour présenter la plateforme ainsi développée pour piloter des expérimentations µLAS. Enfin un tel système nécessite d'être caractérisé car il fait intervenir de nombreux acteurs : des outils informatiques et mécaniques. Enfin nous présenterons les résultats de séparation obtenus grâce à la plateforme µLAS complètement intégrée et automatisée. L'analyse de ces résultats a soulevé des questions et par la même occasion une étude de la dispersion dynamique des bandes d'ADN. Nous terminerons par quelques perspectives d'amélioration, évoquées durant le manuscrit
This manuscript describes and discusses the integration of instrumentation hardware for the µLAS system, for the optimization of the analysis and separation of DNA molecules. First, we will discuss separation techniques, their approaches and strategies. And we will try to answer this question which is asked when a species migrates: how to characterize the competition between forced advection and natural diffusion? To optimize and improve the performance of the various separation technologies thus mentioned, it is necessary to introduce the issues inherent in each. Because there is indeed a wide range of actuation means that cause molecules to migrate in multiple ways: by hydrodynamics, by electrophoresis or even techniques combining the two approaches. Then we will introduce the µLAS technology and in what technological context it is placed. We will present the physical principles that govern the different stages of the technology's operation (concentration and separation). We will then approach the developments carried out during this thesis work on a temporal separation mode which involves a new chip model. Finally, we will show the development work, both in technological manufacturing and also in software intelligence, to set up slope engravings in silicon and thus enrich the µLAS system. Then we will introduce the instrumentation work carried out throughout these 3 years on a dedicated experimental bench. This chapter will be organized to introduce an uninformed reader to the basics and issues inherent in programming, instrumentation and automation of systems controlled by LabVIEW. We will use these bases to present the platform thus developed to pilot µLAS experiments. Finally, such a system needs to be characterized because it involves many players: computer and mechanical tools. Finally, we will present the separation results obtained using the fully integrated and automated µLAS platform. The analysis of these results raised questions and at the same time a study of the dynamic dispersion of DNA bands. We will end with some prospects for improvement, mentioned during the manuscript

L'objectif du projet de thèse est de décortiquer les mécanismes responsables du phénotype des corps lipidiques à l'échelle cellulaire et à l'échelle de la graine. Dans un premier temps, l'étude d'un modèle de la forme de gouttes lipidiques situées entre les deux feuillets d'une bicouche lipidique révèle l'existence d'un volume critique au delà duquel une transition spontanée d'une forme symétrique allongée vers une forme sphérique a lieu. Une étude de ce mécanisme de bourgeonnement est donnée et apporte un éclairage sur la formation des corps lipidiques. La segmentation de corps lipidiques dans des images de microscopie confocale et leur suivi temporel permet de détecter des événements de fusion entre corps lipidiques. Une méthode basée sur l'hypothèse de conservation du volume permet de détecter ces événements à partir des mesures de volumes des corps lipidiques le long des trajectoires pour plusieurs embryons d'A. thaliana. Enfin, un modèle de coalescence des corps lipidiques au cours du développement de jeunes embyrons d'A. thaliana est développé. Les taux de fusion de ce modèle sont estimés et comparés pour plusieurs embryons, sauvage et mutants d'oléosines, à partir de mesures de volumes de corps lipidiques issues d'images à plusieurs stades de développement
The aim of the PhD project is to dissect the mechanisms involved in the phenotype of lipid droplets both at the cellular level and the seed level. Studying a model of a lipid droplet embedded in the leaflets of a lipid bilayer reveals the existence of a critical volume at which the shape of the droplet breaks from a symmetrical elongated lens to a spherical protrusion. This budding mechanisms provides new insights in the formation of lipid droplets. Segmentation and tracking of lipid droplets from timelapse confocal microscopy images allows the detection of lipid droplets fusion events. A method based on the conservation of volume during the fusion event is developed and applied to detect fusion events for several embryos of A. thaliana. A model of the coalescence of lipid droplets during the development of early A. thaliana embryos is developed. The fusion rate is estimated and compared in different wild type and mutant embryos. The estimation is based on lipid droplets volumes measured from images at different stages of the development of the embryos

Ma thèse s'articule autour de trois axes : développer un modèle biophysique, proposer un outil de simulation et exploiter le modèle en simulation. Développer un modèle biophysique de la structure neuronale impliquée dans la maladie de Parkinson, les ganglions de la base. Nous simulons des neurones physiologiquement réalistes à l'aide du formalisme d'Hodgkin-Huxley permettant d'intégrer des canaux ioniques spécifiques. Dans les différentes populations de neurones des GB, dont les arkipallidaux et les proptotypiques du GPe, ainsi que les neurones dopaminergiques D1 et D2 du striatum, les propriétés cellulaires et la connectivité semblent être des facteurs prépondérants dans le comportement oscillatoire du réseau. Notre modèle est validé par des données expérimentales en condition saine, recueillies par nos collaborateurs biologistes, chez le rat. Proposer un outil de simulation de réseaux de neurones impulsionnels permettant des simulations réalistes à grande échelle, > 1 million de neurones, sur machine parallèle i.e plateformes Grid'5000, Explor, etc... SiReNe est un simulateur de réseaux de neurones développé en langage C. Ce logiciel s'appuie sur une approche de simulation combinant une intégration numérique, Runge-Kutta 2, de la dynamique neuronale, et d'une génération événementielle de la connectivité du réseau lors des émissions des potentiels d'action. Cette approche hybride, développée pendant la thèse, permet de simuler des grands réseaux de neurones très détaillés du type Hodgkin-Huxley. Dans le futur, notre modèle pourra être exploité en simulation pour tester certaines hypothèses sur la synchronisation pathologique observée dans la maladie de Parkinson. Les hypothèses que nous envisageons d'étudier portent, principalement, sur le rôle des connexions synaptiques GABAergiques, et des propriétés neuronales, intrinsèques, des canaux SK qui contrôlent la précision de la décharge neuronale. La simulation de modèles à grande échelle pourra, notamment, être utilisée pour limiter la synchronisation pathologique, et les troubles moteurs, par le biais de nouvelles méthodes de neurostimulation, comme la stimulation cérébrale profonde
My thesis is based on three axes: to develop a biophysical model, to propose a simulation tool, and exploit the model in simulation.We develop a biophysical model of the neuronal structure involved in Parkinson's disease, the basal ganglia. We simulate physiologically realistic neurons using the Hodgkin-Huxley formalism to incorporate specific ion channels present in different populations of GB neurons, including arkipallidal and proptotypic GPe, as well as dopaminergic D1 and D2 neurons in the striatum, whose cellular properties and connectivity appear to be prominent factors in the oscillatory behavior of the network. Our model is validated by experimental data in healthy conditions of the rat, collected by our biologist collaborators.We propose a simulation tool for impulse neural networks allowing realistic simulations on a large scale, > 1 million neurons, on a parallel machine i.e. Grid'5000, Explor, etc... SiReNe is a neural network simulator developed in the C language. This software is based on a hybrid simulation approach. It combines a numerical integration, Runge-Kutta 2, of the neuronal dynamics and an event-driven generation of the network connectivity during action potentials emissions. This approach, developed during the thesis, allows the simulation of large and very detailedneural networks of the Hodgkin-Huxley type.In the future, our model could be used in simulation to test some hypotheses on the pathological synchronization observed in Parkinson's disease. Like the role of GABAergic synaptic connections and the intrinsic neuronal properties of SK channels which control the precision of neuronal discharge. The simulation of large-scale models could be used to limit pathological synchronization and motor disorders through new neurostimulation methods, such as deep brain stimulation

Cette thèse introduit un modèle hydrodynamique minimal de polarisation, migration et déformation d'une cellule vivante confinée entre deux surfaces parallèles. Le cytoplasme cellulaire, décrit comme une goutte visqueuse, est entraîné par une force active contrôlée par un soluté diffusif. Une analyse de stabilité linéaire révèle que l'activité du soluté déstabilise d'abord un mode global de polarisation et de translation, induisant une motilité cellulaire par rupture spontanée de symétrie. Pour une activité plus grande, le système traverse une série de bifurcations de Hopf conduisant à des oscillations couplées de la forme de la goutte et de la concentration de soluté. Nous trouvons également des solutions non linéaires de type onde progressive associées à des formes polarisées ressemblant à des observations expérimentales. De plus, nous avons développé des simulations numériques de ce problème basées sur la méthode des éléments finis. L'étude numérique a mis en évidence la stabilité des solutions de type onde progressive, l’existence d’attracteurs oscillants et l’apparition d’une singularité du bord à temps fini. En intégrant des interactions mécaniques avec l'environnement extérieur, nous avons exploré la diffusion cellulaire en présence de parois et d'obstacles stationnaires, la migration à travers des micro-géométries imposées et les collisions cellule-cellule. Ces simulations ont capturé une gamme de motifs non triviaux résultant de la mémoire intrinsèque et de la déformabilité de la cellule. Globalement, notre étude fournit un paradigme mathématique de systèmes actifs déformables qui couplent l'hydrodynamique de Stokes à des transducteurs de force diffusifs
This thesis introduces a minimal hydrodynamic model of polarization, migration, and deformation of a biological cell confined between two parallel surfaces. Our model describes the cell cytoplasm as a viscous droplet that is driven by an active cytoskeleton force, itself controlled by a diffusive cytoplasmic solute. A linear stability analysis of this two-dimensional system reveals that solute activity first destabilizes a global polarization-translation mode, prompting cell motility through spontaneous-symmetry-breaking. At higher activity, the system crosses a series of Hopf bifurcations leading to coupled oscillations of droplet shape and solute concentration profiles. At the nonlinear level, we find traveling-wave solutions associated with unique polarized shapes that resemble experimental observations. In addition, we developed a numerical simulation of our moving-boundary problem based on the finite element method. The numerical study demonstrated the stability of our traveling-wave solutions, the existence of sustained oscillatory attractors, and the emergence of a finite-time pinch-off singularity. By incorporating mechanical interactions with the external environment, we explored cell scattering from stationary walls and obstacles, migration through imposed micro-geometries, and cell-cell collisions. These exercises capture a range of nontrivial patterns resulting from the intrinsic memory and deformability of the cell. Altogether, our work offers a mathematical paradigm of active deformable systems in which Stokes hydrodynamics are coupled to diffusive force-transducers

Une assurance indicielle est proposée en réponse à l'augmentation des sécheresses impactant les prairies. Elle se base sur un indice de production fourragère (IPF) obtenu à partir d'images satellitaires de moyenne résolution spatiale pour estimer l'impact de l'aléa dans une zone géographique définie. Le principal enjeu lié à la mise en place d'une telle assurance réside dans la bonne estimation des pertes subies. Les travaux de thèse s’articulent autour de deux objectifs : la validation de l'IPF et la proposition d'amélioration de cet indice. Un protocole de validation est construit pour limiter les problèmes liés à l'utilisation de produit de moyenne résolution et au changement d’échelle. L'IPF, confronté à des données de référence de différentes natures, montre de bonnes performances : des mesures de production in situ (R² = 0,81; R² = 0,71), des images satellitaires haute résolution spatiale (R² = 0,78 - 0,84) et des données issues de modélisation (R² = 0,68). Les travaux permettent également d'identifier des pistes d'amélioration pour la chaîne de traitement de l'IPF. Un nouvel indice, basé sur une modélisation semiempirique combinant les données satellitaires avec des données exogènes relatives aux conditions climatiques et à la phénologie des prairies, permet d'améliorer la précision des estimations de production de 18,6 %. L’ensemble des résultats obtenus ouvrent de nombreuses perspectives de recherche sur le développement de l'IPF et ses potentiels d'application dans le domaine assurantiel
An index-based insurance is provided in response to the increasing number of droughts impacting grasslands. It is based on a forage production index (FPI) retrieved from medium resolution remote sensing images to estimate the impact of hazard in a specific geographical area. The main issue related to the development of such an insurance is to obtain an accurate estimation of losses. This study focuses on two objectives: the FPI validation and the improvement of this index. A validation protocol is defined to limit problems attached to the use of medium resolution products and scaling issues in the comparisons process. FPI is validated with different data: ground measurements production (R² = 0.81; R² = 0.71), high resolution remote sensing images (R² = 0.78 - 0.84) and modelled data (R² = 0.68). This study also points out areas of improvement for the IPF chain. A new index, based on semi-empirical modeling combining remote sensing data with exogenous data referring to climatic conditions and grassland phenology, allows improving production estimation accuracy by 18.6%. Results of this study open several new research perspectives on FPI development and its potential practical application

Le modèle de Poland-Scheraga (PS) est le modèle standard pour étudier la transition de dénaturation de deux brins d’ADN complémentaires et de même longueur. Ce modèle a fait l’objet d’une attention remarquable car il est exactement résoluble dans sa version homogène. Le caractère résoluble est lié au fait que le modèle PS homogène peut être mis en correspondance avec un processus de renouvellement discret. Dans la littérature biophysique une généralisation du modèle, obtenue en considérant des brins non complé- mentaires et de longueurs différentes, a été considérée et le caractère résoluble s’étend à cette généralisation substantielle. Dans cette thèse, nous présentons une analyse mathématique du modèle de Poland- Scheraga généralisé. Nous considérons d’abord le modèle homogène et nous exploitons que les deux brins de la chaîne peuvent être modélisés par un processus de renouvellement en deux dimensions. La distribution K(⋅) de l’emplacement (bidimensionnel) du premier contact entre les deux brins est supposée de la forme K(n+m) = (n+m)−α−2L(n+m) avec α ≥ 0 et L(⋅) à variation lente et correspond à une boucle avec n bases dans le premier brin et m dans le deuxième. Nous étudions la transition de localisation-délocalisation et nous montrons l’existence des transitions à l’intérieur de la phase localisée. Nous présentons ensuite des estimations précises sur les propriétés de chemin du modèle. Ensuite, nous étudions la version désordonnée du modèle en incluant une séquence de variables aléatoires indépendantes identiquement distribuées à deux indices. Nous nous concentrons sur l’influence du désordre sur la transition de dénaturation: nous voulons déterminer si la présence des inhomogénéités modifie les propriétés critiques du système par rapport au cas homogène. Nous prouvons que le désordre est non pertinent si α < 1 et nous montrons que pour α > 1, les points critiques gelés et recuits diffèrent (basant sur les techniques de coarse graining et la méthode des moments fractionnaires), ce qui prouve la présence d’un régime de désordre pertinent
The Poland-Scheraga (PS) model is the standard basic model to study the denaturation transition of two complementary and equally long strands of DNA. This model has enjoyed a remarkable attention because it is exactly solvable in its homogeneous version. The solvable character is related to the fact that the homogeneous PS model can be mapped to a discrete renewal process. In the bio-physical literature a generalization of the model, allowing different length and non complementarity of the strands, has been considered and the solvable character extends to this substantial generalization. In this thesis we present a generalized version of the PS model that allows mismatches and non complementary strands (in particular, the two strands may be of different lengths). We consider first the homogeneous model and we exploit that this model can be mapped to a bivariate renewal process. The distribution K(⋅) of the location (in two dimensions) of the first contact between the two strands is assumed to be of the form K(n + m) = (n + m)−α−2L(n + m) with α ≥ 0 and L(⋅) slowly varying and corresponds to a loop with n bases in the first strand and m in the second. We study the localization-delocalization transition and we prove the existence of transitions inside the localized regime. We then present precise estimates on the path properties of the model. We then study the disordered version of the model by including a sequence of inde- pendent and identically distributed random variables with two indices. We focus on the influence of disorder on the denaturation transition: we want to determine whether the presence of randomness modifies the critical properties of the system with respect to the homogeneous case. We prove that the disorder is irrelevant if α < 1. We show also that for α > 1, the quenched and annealed critical points differ (basing on coarse graining techniques and fractional moment method), proving the presence of a relevant disorder regime

Les biomatériaux interviennent dans de nombreuses applications médicales. La connaissance de leur évolution une fois implantés dans l'organisme est primordiale pour les améliorer et en créer de nouveaux. Dans cette optique, nous avons réalisé une modélisation à deux dimensions de la transformation d'un biomatériau en os. Pour cette modélisation, nous utilisons la théorie de la percolation. Celle-ci traite de la transmission d'information à travers un milieu où sont distribués un très grand nombre de sites pouvant localement relayer cette information. Nous présentons un modèle de double percolation sites-liens, pour prendre en compte d'une part la vascularisation (et/ou résorption) du biomatériau de l'implant dans un os, et d'autre part sa continuité mécanique. Nous identifions les paramètres pertinents pour d'écrire l'implant et son évolution, qu'ils soient d'origine biologique, chimique ou physique. Les différents phénomènes sont classés suivant deux régimes, percolant ou non-percolant, qui rendent compte des phases avant et après vascularisation de l'implant. Nous avons testé notre simulation en reproduisant les données expérimentales obtenues pour des implants de corail. Nous avons réalisé une étude des différents paramètres de notre modèle, pour déterminer l'influence de ceux-ci sur chaque phase du processus. Cette simulation est aussi adaptable à différents systèmes d'implants. Nous montrons la faisabilité d'une modélisation à trois dimensions en transposant la partie statique de notre simulation.

Un modèle cohérent de diffusion est développé en aide à la compréhension de la réponse radar de la végétation sahélienne. Cette végétation est principalement composée de ligneux et des herbacées annuelles. Dans ce modèle, le générateur de la végétation prend en compte la morphologie des ligneux et des herbacées. Le houppier des ligneux est très irrégulier mais il peut être représenté comme contenu dans un volume cylindrique ou ellipsoïdal dépendant de la forme du ligneux. C'est ainsi, que l'onde électromagnétique n'est atténuée que lorsque celle-ci traverse le volume. Par ailleurs, le générateur représente les herbacées comme un ensemble de tiges cylindriques et de feuilles en forme de lames à section transversale en " V ". La statistique du coefficient de rétrodiffusion est obtenue à partir d'une simulation Monte Carlo sur plusieurs réalisations. La précision des simulations est vérifiée en comparant avec des données satellite en bande C et polarisation HH. Les simulations sont, dans la plupart de cas, proches aux mesures. Après avoir vérifié la précision du modèle, celui-ci est implémenté dans un algorithme d'inversion de paramètres végétaux. Afin de réduire le temps de calcul du modèle cohérent, nous construisons un modèle simplifié basé sur les droits de régression linéaires des résultats issus du modèle direct. Les paramètres sensibles de la végétation sahélienne sont l'humidité du sol, la densité des herbacées et l'humidité des herbacées. L'estimation de ces trois paramètres montre un bon accord avec les données terrain lorsqu'on utilise les mesures en bande C et polarisation HH
A coherent scattering model is developed for radar remote sensing of Sahelian grassland. This African vegetation is mainly composed of annual grass and shrubs. In this model first a generator of grass and shrub structures, which includes morphological information, is implemented. Shrubs’ crown is highly irregular, but for most part can be encompassed in an ellipsoidal or cylindrical volume depending on shrub shape. Thus, the extinction of the coherent wave is then calculated only when travelling in the volume. By the other hand, the generator represents the grass as a set of cylindrical stalks and blade leaves. Backscatter statistics are acquired via a Monte Carlo simulation over a large number of realizations. The accuracy of the model is verified using measured data acquired by a C-band satellite at HH polarization. In most of cases, simulations are closed to measurements. After being validated the model accuracy, the model is implemented in a vegetal-parameter retrieval algorithm. Since the coherent scattering model is significant time consuming, a simplified empirical model is constructed with the fitting of simulation results obtained by the forward model. The sensitive parameters of Sahelian vegetation are sol moisture content, grass density, and grass moisture content. The estimation of these three parameters using the set of C-band HH-polarized measured data shows a great agreement when comparing with ground data

Les filaments d'actine sont des polymères biologiques très abondants dans le cytosquelette des eucaryotes. Leur auto-assemblage et leur auto-organisation sont très dynamiques et ils jouent un rôle majeur dans la motilité cellulaire et dans les déformations de la membrane. Nous présentons dans cette thèse trois approches de modélisation, à différentes échelles, afin de mieux comprendre les mécanismes de régulation de l'assemblage, de l'organisation et de la production de forces par des filaments biologiques tels que les filaments d'actine. Nous avons tout d'abord développé un outil de simulation multi-agent stochastique pour l'étude de la dynamique de filaments biologiques prenant en compte les interactions à l'échelle du nanomètre. Ce nouvel outil nous a permis de mettre en évidence l'accélération du turnover des monomères d'actine par fragmentation des filaments par l'ADF/Cofiline ainsi que les ruptures de symétries induites par cette protéine, résultats concordant avec les expériences de l'équipe de L. Blanchoin (CEA Grenoble). Nous avons également mené l'étude d'un modèle continu pour le flambage de filaments qui a permis d'estimer les forces exercées in vivo et in vitro en fonction des conditions d'attachement des extrémités et de donner des conditions limites de certains paramètres permettant le flambage. Troisièmement, nous avons développé un cadre pour l'organisation des données de cinétique biochimique de réseaux de régulation que nous avons utilisé pour la régulation de la polymérisation de l'actine. Ces trois approches de modélisation ont permis d'améliorer la connaissance sur la dynamique de l'actine et sont complémentaires aux approches expérimentales de la biologie.