Academic literature on the topic 'Réseaux de fibres dynamiques en 3D'

Le muscle squelettique est organisé en faisceau de fibres musculaires de différentes tailles et parcouru par des réseaux vasculaires et nerveux. Les cellules satellites sont des cellules souches logées le long des fibres musculaires et sont à la base des progéniteurs myogéniques (myoblastes). Les cellules satellites peuvent être aisément extraites du muscle et cultivées. Les modèles typiques de culture en deux dimensions (2D) de cellules dérivées du muscle squelettique ne peuvent pas recréer complètement l'organisation et la fonction des tissus musculaires vivants, ce qui limite leurs utilités dans les études physiologiques approfondies. Le développement de modèles de culture 3D fonctionnels offre une opportunité unique pour mimer les tissus vivants et modéliser les maladies musculaires. A cet égard, ce nouveau type de modèles in vitro augmente significativement notre compréhension de l'implication des différentes populations cellulaires dans la formation du muscle squelettique et de leurs interactions, ainsi que les modalités de réponse d'un muscle pathologique à de nouvelles thérapies. Ce deuxième point pourrait conduire à l'identification de traitements efficaces. Dans cette synthèse, nous traitons des progrès significatifs qui ont été réalisés ces dernières années pour concevoir des structures ressemblant à des tissus musculaires, fournissant des outils utiles pour étudier le comportement des cellules souches résidentes. Nous nous intéressons plus particulièrement au développement de systèmes basés sur des « myosphères » et des faisceaux de fibres ou « myobundles » ainsi que sur les systèmes de bio-impression. Les protocoles de stimulation électrique/mécanique et les systèmes de co-culture développés pour améliorer le processus et les fonctionnalités de maturation des tissus seront également présentés. La formation de tissus musculaires biomimétiques représente une nouvelle technologie pour étudier la fonction et l'organisation spatiale des muscles squelettiques dans un grand nombre de contextes physiologiques, pathologiques et agronomiques.

Cette thèse porte sur l'hypothèse que des interactions mécaniques locales simples entre un nombre limité de composants puissent régir l'émergence de l'architecture 3D des tissus biologiques. Pour explorer cette possibilité, nous développons deux modèles mathématiques. Le premier, ECMmorpho-3D, vise à reproduire un tissu conjonctif non-spécialisé réduit à la matrice extra-cellulaire, c'est-à-dire à un réseau 3D de fibres interconnectées dynamiquement. Le second, ATmorpho-3D, est obtenu par ajout de cellules sphériques apparaissant et croissant spontanément dans ce réseau de fibres afin de modéliser la morphogenèse du tissu adipeux, un tissu conjonctif spécialisé ayant une grande importance sur le plan biomédical. Pour analyser les données produites par ces deux modèles, nous construisons un outil générique permettant de visualiser en 3D des systèmes composés d'un mélange d'éléments sphériques (cellules) et de bâtonnets (fibres) et de détecter automatiquement dans de tels systèmes des amas d'objets sphériques séparés par des bâtonnets. Cet outil peut également être utilisé pour traiter des images biologiques issues de microscopie en 3D, permettant ainsi une comparaison directe entre les structures in vivo et in silico. L'étude des structures produites par le modèle ECMmorpho-3D via des simulations numériques montre que ce modèle peut générer spontanément différents types d'architectures, que nous identifions et caractérisons grâce à notre outil d'analyse. Une analyse paramétrique approfondie nous permet d'identifier une variable émergente, le nombre de liens par fibre, qui explique et, dans une certaine mesure, prédit le devenir du système modélisé. Une analyse temporelle révèle que l'échelle de temps caractéristique de ce processus d'auto-organisation est fonction de la vitesse de remodelage du réseau et que tous les systèmes suivent la même trajectoire évolutive. Enfin, nous utilisons le modèle ATmorpho-3D pour explorer l'influence de cellules sphériques sur l'organisation d'un réseau de fibres dynamique, en prenant comme référence le modèle ECMmorpho-3D. Nous montrons que le nombre de cellules influence l'alignement local des fibres mais pas l'organisation globale du réseau. Par ailleurs, les cellules s'organisent spontanément en amas entourés de feuillets de fibres, dont les caractéristiques morphologiques sont très proches de celles des structures cellulaires in vivo. De plus, la distribution des différentes morphologies d'amas cellulaires est similaire dans les systèmes in silico et in vivo. Ceci suggère que le modèle est capable de produire des morphologies réalistes non seulement à l'échelle d'un amas mais aussi à l'échelle du système entier, en reproduisant les variabilités structurelles observées dans les échantillons biologiques. Une analyse paramétrique révèle que la proportion de chaque morphologie dans un système in silico est gouvernée principalement par les capacités de remodelage du réseau de fibres, pointant le rôle essentiel des propriétés de la matrice extra-cellulaire dans l'architecture et le fonctionnement du tissu adipeux (ce qui concorde avec plusieurs constatations biologiques ainsi que des résultats antérieurs en 2D). Le fait que ces modèles mathématiques très simples puissent générer des structures réalistes corrobore notre hypothèse selon laquelle l'architecture des tissus biologiques pourrait émerger spontanément à partir d'interactions mécaniques locales entre les composants du tissu, indépendamment des phénomènes biologiques complexes se déroulant dans ce tissu. Ce travail ouvre de nombreuses perspectives quant à notre compréhension des principes fondamentaux gouvernant la manière dont l'architecture d'un tissu émerge durant l'organogenèse, est maintenue au cours de la vie et peut être affectée par diverses pathologies. Les applications potentielles vont de l'ingénierie tissulaire à la possibilité de promouvoir la régénération chez les mammifères adultes
In this thesis, we investigate whether simple local mechanical interactions between a reduced set of components could govern the emergence of the 3D architecture of biological tissues. To explore this hypothesis, we develop two mathematical models. The first one, ECMmorpho-3D, aims at reproducing a non-specialised connective tissue and is reduced to the Extra-Cellular Matrix (ECM) component, that is a 3D dynamically connected fibre network. The second, ATmorpho-3D, is built by adding to this network spherical cells which spontaneously appear and grow in order to mimic the morphogenesis of Adipose Tissue (AT), a specialised connective tissue with major biomedical importance. We then construct a unified analysis framework to visualise, segment and quantitatively characterise the fibrous and cellular structures produced by our two models. It constitutes a generic tool for the 3D visualisation of systems composed of a mixture of spherical (cells) and rod-like (fibres) elements and for the automatic detection of in such systems of clusters of spherical objects separated by rod-like elements. This tool is also applicable to biological 3D microscopy images, enabling a comparison between in vivo and in silico structures. We study the structures produced by the model ECMmorpho-3D by performing numerical simula- tions. We show that this model is able to spontaneously generate different types of architectures, which we identify and characterise using our analysis framework. An in-depth parametric analysis lead us to identify an intermediate emerging variable, the number of crosslinks per fibre, which explains and partly predicts the fate of the modelled system. A temporal analysis reveals that the characteristic time-scale of the organisation process is a function of the network remodelling speed, and that all systems follow the same, unique evolutionary pathway. Finally, we use the model ATmorpho-3D to explore the influence of round cells over the organisation of a fibre network, taking as reference the model ECMmorpho-3D. We show that the number of cells can influence the local alignment of the fibres but not the global organisation of the network. On the other hand, the cells inside the network spontaneously organise into clusters with realistic morphological features very close to those of in vivo structures, surrounded by sheet-like fibre bundles. Moreover, the distribution of the different morphological types of clusters is similar in in silico and in vivo systems, suggesting that the model is able to produce realistic morphologies not only on the scale of one cluster but also on the scale of the whole system, reproducing the structural variability observed in biological samples. A parametric analysis reveals that the proportion in which each morphology is present in an in silico system is governed mainly by the remodelling characteristic of the fibres, pointing to the essential role of the ECM properties in AT architecture and function (in agreement with several biological results and previous 2D findings). The fact that these very simple mathematical models can produce realistic structures supports our hypothesis that biological tissues architecture could emerge spontaneously from local mechanical inter- actions between the tissue components, independently of the complex biological phenomena taking place around them. This opens many perspectives regarding our understanding of the fundamental principles governing how biological tissue architecture emerges during organogenesis, is maintained throughout life and can be affected by various pathological conditions. Potential applications range from tissue engineering to therapeutic treatment inducing regeneration in adult mammals

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la quantification 3D de matériaux fibreux cellulosiques(papiers et cartons). Afin de lier les paramètres de fabrications des papiers à leurs structures et leurs propriétés d'usage, les échantillons analysés ont été imagés par microtomographie à rayonnement synchrotron. Des outils de traitement de l'image ont été développés et appliqués pour quantifier la microstructure (porosité, surface spécifique, taux de charges, orientation des fibres). Il a été démontré que les données obtenues sont représentatives d'un point de vue structural. Ainsi, les informations 3D obtenues par ces techniques peuvent être comparées aux modèles trouvés dans la littérature. Des dispositifs expérimentaux ont également été développés pour analyser in-situ l'influence de la compression et de l'humidité sur la structure des papiers. De plus, l'équation de transfert radiatif a été appliquée pour l'étude des propriétés optiques (opacité et blancheur)
This thesis focuses on the quantification of cellulosic fibrous materials. Ln order to link paper making variables, structures and end-use properties, samples were imaged by synchrotron microtomography. Image analysis tools were developed and applied to quantify paper structure (porosity, specifie surface misotropy, filler content). It appeared that our data are representative from a microstructural point of view. Therefore structural results were compared to the models found in the literature. Moreover, sample environments were developed to study in-situ the effect of deformation and humidity on paper structure. On the other hand, attention is focused on the prediction and the modelling of paper properties by solving in this particular case the radiative transfer equation

Le but de ce travail de recherche est de proposer des outils de représentation de structures fibreuses aléatoires par des modèles probabiliste, en s'appuyant sur l'analyse de milieux réels observés en microtomographie X. Compte tenu de la complexité des matériaux analysés, la reconstruction tridimensionnelle d'un milieu "équivalent", du point de vue de ses propriétés morphologiques (porosité, connectivité), constitue une étape fondamentale. Cette démarche conditionne la possibilité de généraliser à d'autres microstructures fibreuses des interactions entre caractéristiques morphologiques et propriétés physiques

Depuis les premiers travaux de Moreno en 1934, l'analyse de réseaux sociaux s'est toujours accompagnée de diagrammes représentant les relations entre individus. Depuis, la visualisation de graphes n'a cessé de se développer au sein des communautés de visualisation d'information et de dessin de graphes. Au-delà des travaux se concentrant sur les problèmes combinatoires et algorithmiques posés par les dessins de graphes on parle désormais de fouille visuelle de réseaux et plus généralement de visual analytics en intégrant l'utilisateur au coeur de l'analyse. Dans cette thèse nous nous concentrons sur les supports visuels interactifs stéréoscopiques qui permettent de piloter le processus de fouille. En utilisant un environnement expérimental ad hoc, nous essayons d'en évaluer l'impact dans une tâche très populaire de détection de structures en communautés. A travers différentes expériences, nous montrons que pour une classe de graphes particulière la 2D semble plus adapté pour les graphes simples tandis que la 3D stéréo est bénéfique pour les graphes les plus complexes. Nous identifions également des différences dans l'usage des interactions entre la mono et la stéréo, ce qui semble illustrer des différences de comportement caractérisant des différences de stratégie d'utilisation entre ces deux conditions. Nos travaux se prolongent sur le plan technologique par le développement d'une bibliothèque permettant des interactions "mains-libres" adaptées à la fouille visuelle debout devant un grand écran.

Depuis les premiers travaux de Moreno en 1934, l’analyse de réseaux sociaux s’est toujours accompagnée de diagrammes représentant les relations entre individus. Depuis, la visualisation de graphes n’a cessé de se développer au sein des communautés de visualisation d’information et de dessin de graphes. Au-delà des travaux se concentrant sur les problèmes combinatoires et algorithmiques posés par les dessins de graphes on parle désormais de fouille visuelle de réseaux et plus généralement de visual analytics en intégrant l’utilisateur au coeur de l’analyse. Dans cette thèse nous nous concentrons sur les supports visuels interactifs stéréoscopiques qui permettent de piloter le processus de fouille. En utilisant un environnement expérimental ad hoc, nous essayons d’en évaluer l’impact dans une tâche très populaire de détection de structures en communautés. A travers différentes expériences, nous montrons que pour une classe de graphes particulière la 2D semble plus adapté pour les graphes simples tandis que la 3D stéréo est bénéfique pour les graphes les plus complexes. Nous identifions également des différences dans l’usage des interactions entre la mono et la stéréo, ce qui semble illustrer des différences de comportement caractérisant des différences de stratégie d’utilisation entre ces deux conditions. Nos travaux se prolongent sur le plan technologique par le développement d’une bibliothèque permettant des interactions “mains-libres” adaptées à la fouille visuelle debout devant un grand écran
Ever since the pioneering work of Moreno in 1934, social network analysis has always included drawings depicting relationships between actors. From these days, the graph visualization field has grown within the graph drawing and information visualization communities. Besides the algorithmic and combinatoric questions arising from graph drawings, new challenges now include networks visual data mining. Usually referred to as visual analytics it involves the integration of the user at the heart of the analysis. In this thesis, we focus on interactive and stereoscopic visual restitutions allowing the user to drive the mining process. Using a ad hoc experimental environment, we try to assert their its impact on a popular task of community detection. Through several experiments, we show that for a specific class of graphs, 2D seems more adapted for the easier graphs while stereoscopic 3D is beneficial for the more complex ones. We also identify some differences in the interactions between the stereo and mono conditions, which seems to indicate behavioral differences emerging from differing interaction strategies. We also propose some prospects such as the implementation of a library allowing hands-free interactions adapted to visual mining in front of a large screen

L'objectif de nos travaux est de développer un cadre méthodique afin de modéliser les préférences, les changements de comportement des individus ainsi que leurs impacts sur l'état d'un système complexe dans un contexte dynamique. L'utilisateur doit simuler les conséquences des politiques de transports et d'urbanisme sur l'offre et demande de stationnement, étape essentielle. Modéliser les préférences hétérogènes des usagers, intégrer des connaissances, selon des logiques comportementales différentes, ont justifié l'approche multi agents. Afin d'avoir des représentations adaptatives et évolutives des comportements des agents individus, les processus décisionnels et d'apprentissage sont modélisés au moyen d'un panier d'outils issus de l'optimisation des procédés industriels, des techniques Data Mining, de marketing. L'emploi personnalisé du simulateur avec l'interactivité utilisateursimulateur a motivé l'adaptation de ce cadre méthodique à la simulation des systèmes complexes sociétaux.