Biologie Santé.

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Interaction avec la biologie et la médecine

contact : Benjamin.MAUROY@unice.fr


Thématiques :


Membres


Modélisation et Imagerie de la mobilité séminale en vue de la conception de tests de fertilité automatisés

  • Contact : Didier Auroux (auroux@unice.fr)
  • Membres : Gilles Aubert, Didier Auroux
  • Partenaires : Pierre Degond (IMT, Toulouse), Laure Blanc-Féraud (I3S), Xavier Druart
    (INRA Tours), Franck Plouraboué (IMFT, Toulouse) 
  • Mots-clefs : modélisation, apprentissage, motilité massale, flot optique
  • Résumé :
     L’objectif de ce projet est de développer les concepts nécessaires à la réalisation de tests automatisés de fertilité d’échantillon de semences animales. L’observation au microscope des échantillons de semence met en évidence une turbulence induite par le mouvement d’ensemble des spermatozoïdes, dite motilité massale. Il a été établi que la motilité massale est un excellent critère de fertilité de l’échantillon (alors que la motilité individuelle ne l’est pas). Le projet a pour but de développer des techniques d’imagerie et de scoring qui permettront d’automatiser la sélection des échantillons fertiles et le rejet des autres par l’observation de cette motilité. Ces techniques seront dans un deuxième temps améliorées par l’utilisation de modèles adéquats. La modélisation des mécanismes collectifs en jeu dans le mouvement d’ensemble de la semence pourra donner des pistes pour comprendre pourquoi la motilité individuelle des spermatozoïdes n’est pas bien corrélée avec la motilité massale.

 Simulation numérique d'un système complet d'imagerie médicale micro-onde 

  • Contact : Victorita Dolean (victorita.dolean@unice.fr)
  • Membres : V. Dolean, F. Rapetti, R. Pasquetti
  • Partenaires : C. Pichot, J.-Y. Dauvignac, C. Migliaccio, I. Aliferis (LEAT, UNSA); F. Nataf, F. Hecht (LJLL, Paris 6), M. de Buhan (MAP5, Paris 5)
  • Mots-clefs : équations de Maxwell, problèmes inverses, imagerie médicale micro-onde, simulation numérique (méthodes numériques d'ordre eleve, décomposition de domaine, calcul parallèle).
  • Résumé : L'imagerie micro-onde par tomographie est une nouvelle modalité d'imagerie permettant une détection dans une phase précoce de développement des tissus malades, avec un certain nombre d'applications médicales potentiellement attractifs. Avec la tomographie par micro-ondes dans la gamme de fréquences de plusieurs centaines de MHz à quelques GHz, les tissus sont bien différenciées et, par  conséquent peuvent être imagés, sur la base de différences dans les propriétés diélectriques (c.-à-contraste). Il a été prouvé dans de nombreuses études que les propriétés diélectriques des tissus biologiques sont un bon indicateur de leurs conditions fonctionnelles et pathologiques. Du point de vue mathématique cela suppose la modelisation de l'interactions onde-matiere en champs proche, la diffusion des ondes électromagnétiques arbitraires dans des milieux très hétérogènes, sur une large plage de fréquences dans le domaine des micro-ondes et le développement méthodologique et numérique d'un nouvel outil d'inversion robuste, associé à la solution numérique du problème électromagnétique directe. Les applications envisagées ici seront les suivantes: imagerie micro-onde par tomographie d'un AVC (accident vasculaire cérébral), des lésions cérébrales, imagerie fonctionnelle cardiaque, … à partir de données synthétiques et expérimentales en collaboration avec une société d'imagerie médicale électromagnétique.

 


Problèmes de transmission d'information dans les cellules

  • Contact : Thierry Goudon (goudon@unice.fr)
  • Membres : Gilles Aubert, Didier Auroux
  • Partenaires : R. Blossey, Jean-François Bodart (Institut de Recherche Interdisciplinaire, Lille), P. Lafitte (ECP)
  • Mots-clefs : réaction-diffusion, MAPK, exposant de Hill.
  • Résumé :
    L’enjeu de ce travail consiste à prendre en compte les aspects spatiaux dans des modèles de propagation de signaux à travers le cytoplasme. Plus précisément on s'intéresse à un système de type réaction-diffusion généralisant la dynamique de Michaelis-Menten pour la cascade MAPK dans les oeufs de Xenope. Cette étude met en évidence certaines conditions portant sur les données initiales et au bord pour assurer le phénomène de propagation à l’intérieur de la cellule. On discute aussi le rôle de paramètres définissant  la dynamique chimique, comme l'exposant de Hill.

Modèles de populations structurées pour la croissance tumorale et pour la polymérisation (maladies à prions, Alzheimer, etc.)

  • Contact : Thierry Goudon (goudon@unice.fr)
  • Membres : Gilles Aubert, Didier Auroux
  • Partenaires : M. Doumic (Inria Rocquencourt), P. Lafitte (ECP)
  • Mots-clefs : EDP, populations structurées, coagulation and break-up
  • Résumé :
    On s'intéresse à divers systèmes d'EDP décrivant l’évolution de populations structurées. Ces modèles, plus ou moins directement inspirés de la science des matériaux, peuvent décrire des phénomènes biologiques comme la croissance de certaines tumeurs ou les mécanismes à l’oeuvre dans des maladies neuro-dégénératives, comme les maladies à prions. L'enjeu consiste à étudier le comportement qualitatif des solutions, notamment pour caractériser les états asymptotiques en temps longs, directement accessibles à l’expérience, et à analyser leur stabilité. Un autre volet est consacré à la conception de méthodes numériques spécifiques pour ces problèmes.

 



Analogue hydrodynamique de la phyllotaxie

  • Contact : Christian Mathis (mathis@unice.fr)
  • Membres : Christian Mathis, Philippe Maïssa
  • Partenaires : Germain Rousseaux (Insitut P’, Poitiers), Stéphane Douady (MSC, Paris 7)
  • Mots-clefs : Hydrodynamique, phyllotaxie, suite de Fibonacci, angle d'or, bifurcation, diagnostic optique
  • Résumé :
    Des bulles de gaz produites périodiquement au fond d'un récipient rempli d'un liquide visqueux (huile de silicone) montent jusqu'à la surface. Elles émergent au centre du récipient (apex) et se déplacent radialement en adoptant une direction telle que l'angle (divergence Psi) entre deux bulles successives est maintenu constant. Cet angle varie selon les paramètres du système, la périodicité de production des bulles et la viscosité de l'huile. Les bulles forment collectivement un motif dynamique de spirales en rotation apparente qui présente toutes les caractéristiques des motifs formés par l'arrangement des feuilles des plantes sur leur tige, les pétales des fleurs, beaucoup de motifs réguliers observés sur les végétaux en règle générale: ces arrangements végétaux constituent la phyllotaxie. Plus précisément, notre système restitue les arrangements que l'on constate dans les premiers stades de développement de la plante.  Les stades ultimes de développement amenant la majorité des plantes à présenter un angle de divergence Psi au voisinage de l'angle d'or. Nous observons, en diminuant la période de formation des bulles, une bifurcation entre un état où Psi est constant et égal à180° et un état où Psi décroît et où les spirales apparaissent. Nous utilisons le traitement des images obtenues avec une caméra modérément rapide (≈200im/s) pour caractériser les motifs et la P.I.V. pour avoir accès au champ de vitesse dans le récipient.
     

 


Modélisation de la morphogenèse du poumon : bronches et réseau vasculaire

  • Contact : Benjamin Mauroy (mauroy@unice.fr)
  • Membres : Raphaël Clément, Benjamin Mauroy
  • Partenaires : Stéphane Douady et Annemiek Cornelissen (Biophysique, MSC Paris 7) ;Pierre Blanc et Vincent Sapin (CHU Clermont-Ferrand)
  • Mots-clefs : morphogenèse, instabilité, poumon, réseau sanguin, éléments finis
  • Résumé :
    Le poumon des mammifères se développe pendant l'embryogenèse à partir d'une bronche initiale entourée par le mésenchyme pulmonaire. La paroi des bronches croît dans le mésenchyme pulmonaire et subit des branchements répétés jusqu'à former l'arbre adulte. Parallèlement dans le mésenchyme, se forment les artères bronchiques, suivant précisément les bronches (direction, branchements, etc). Nous développons un modèle mathématique et numérique du développement des bronches et des artères bronchiques. Ce modèle est basé sur une instabilité qui émerge quand les bronches croissent avec le flux d'un facteur croissance induit par un laplacien.
     

Modélisation de la kinésithérapie respiratoire

  • Contact : Benjamin Mauroy (mauroy@unice.fr)
  • Membres : Didier Clamond, Benjamin Mauroy, Samir Rachidi
  • Partenaires : P. Flaud (MSC, Université Paris 7), J. Merckx (médecin anesthésiste, spécialiste des enfants, ex-Hôpital Necker), M. Argentina (INLN) ; Dominique Pelca et Christian Fausser (Kinésithérapeutes libéraux, Paris) ; Barrett Mitchell; S. Rachidi (société RespInnovation Sophia)
  • Mots-clefs : kinésithérapie respiratoire, systèmes d’EDO ou d’EDP de grande dimension, éléments finis
  • Résumé :
    La kinésithérapie respiratoire joue un rôle très important dans le traitement de maladies pulmonaires comme la bronchiolite chez les bébés ou encore la mucoviscidose. Elle consiste à imposer des pressions sur le thorax pour expulser les mucosités en excès qui tapissent les bronches. Cependant, les manipulations effectuées par les kinésithérapeutes sont empiriques et différentes pratiques existent, certaines mettant en avant l'efficacité du geste (haut débits pendant un temps court) qui rend la manipulation plus incommodante pour le patient alors que d'autres mettent en avant le confort du patient (bas débits pendant un temps long) mais ont une efficacité controversée. La modélisation de l'expectoration assistée peut donc donner des indications permettant de guider le praticien dans son geste et aider à améliorer les appareils d’expectoration mécanique. La modélisation du comportement des bronches et des mucosités mène à des systèmes d’EDO ou d’EDP de grandes dimensions, qui sont couplées aux équations de la mécanique dans le thorax.
     

 


Etude de la géométrie des organes assurant le transport de l'oxygène

  • Contact : Benjamin Mauroy (mauroy@unice.fr)
  • Partenaires : Y. Privat (LJLL, Paris 6); P. Dantan, P. Flaud (MSC, Paris 7); B. Mahut, C. Delclaux, P. Bokov (HEGP, Paris)
  • Mots-clefs : équations de Navier-Stokes, équations de convection-diffusion-réaction, interaction fluide-structure, optimisation
  • Résumé :
    Nous cherchons à mieux comprendre les échanges et le transport de l'oxygène chez les mammifères et les optimisations sous-jacentes du poumon et du réseau vasculaire induites par l'évolution. Nous développons des modèles mathématiques et numériques multi-échelles depuis l'organe (bronches par exemple) jusqu'à la cellule (typiquement le globule rouge). Nous étudions les échanges d'oxygène à la barrière air/sang et les réactions chimiques entre l'oxygène et l'hémoglobine dans le globule rouge.
     

 


Etude de la sensibilité des optimaux, évolution

  • Contact : Benjamin Mauroy (mauroy@unice.fr)
  • Partenaires : E. Vercken (INRA Sophia-Antipolis)
  • Mots-clefs : dynamique des populations, équations intégro-différentielles, évolution
  • Résumé :
    Nous développons un modèle de biologie des populations intégrant de la variabilité dans l'expression du phénotype et qui permet de mesurer la robustesse d'une stratégie "optimale" en fonction d'un ou plusieurs traits. Dans ce cadre, nous travaillons sur le rôle de l’espace sur la stratégie optimale.
     

 


Modélisation de la croissance de biofilms de cyanobactéries se développant au fond de fontaines

  • Contact : Magali Ribot (ribot@unice.fr)
  • Membres : M. Ribot , F. Berthelin, , A. Habbal, D. Broizat, D. Chiron
  • Partenaires : P.-E. Jabin (CSCAMM, University of Maryland); L. Almeida (LJLL, Paris 6) ; D. Aregba, F. Krantz (IMB, Bordeaux); C. Di Russo, R. Natalini, F. Clarelli (IAC-CNR de Rome) ; M. Twarogowska (Università di L'Aquila).
  • Mots-clefs : biofilms, cyanobactéries, modèle hydrodynamique, théorie des mélanges
  • Résumé :
    Un biofilm est un mélange complexe  de microorganismes englobés dans une matrice extra-cellulaire (produite par les organismes eux-mêmes) et colonisant une surface. On utilise un modèle hydrodynamique issu de la théorie des mélanges et on effectue des simulations  numériques adaptées, en tenant compte de  l'influence de la lumière. Ce modèle devrait servir de base pour une collaboration avec des chercheurs de l'INRA Sophia en biologie des plantes, car certaines cellules pathologiques impliquées dans des infections des plantes s'organisent en biofilms.

 


Modélisation de la prolifération des algues Ostreopsis en Méditerranée

  • Contact : Magali Ribot (ribot@unice.fr)
  • Membres : M. Ribot , D. Chiron, T. Goudon, F. Berthelin, A. Habbal, D. Broizat
  • Partenaires : P.-E. Jabin (CSCAMM, University of Maryland); L. Almeida (LJLL, Paris 6) ; R.Lemée et son équipe (Observatoire de Villefranche sur Mer)
  • Mots-clefs : algues, biofilms, phases bentonique/planctonique, couplage cinétique-hyperbolique, coagulation-fragmentation
  • Résumé :
    Un important problème de santé publique de ces dernières années est la prolifération de l'algue Ostreopsis le long des côtes de la Méditerranée. Cette algue se développe sous forme de biofilms dans les fonds marins puis disperse dans l'air des toxines dangereuses pour l'être humain (problèmes cardiaques ou respiratoires). Pour obtenir un modèle de ce phénomène par des équations aux dérivées partielles, l'idée est de coupler un modèle hyperbolique de développement de biofilms dans  les fonds à un modèle de  dispersion des algues dans l'eau en utilisant un modèle cinétique de type coagulation-fragmentation et enfin d'en faire des simulations numériques
     


Modélisation du mouvement des fibroblastes sur un scaffold

  • Contact : Magali Ribot (ribot@unice.fr)
  • Partenaires : Campus Bio-medico (Rome), R. Natalini, G. Bretti & I. Guaraldo (IAC-CNR, Rome)
  • Mots-clefs : mouvement de fibroblastes, scaffold artificiel, chimiotactisme sur réseau
  • Résumé :
    Les fibroblastes interviennent lors de la régénération de la peau à la suite d'une lésion : elles se déplacent  sur des fibres, partiellement formées par elles-mêmes,  sous l'effet du chimiotactisme et forment une couche basale  au niveau de la blessure qui permet ensuite aux kératinocytes de se reproduire. Afin d'accélérer leur mouvement, les ingénieurs tissulaires  développent des  matrices extra-cellulaires artificielles (« scaffolds ») sur lesquelles se déplacent les fibroblastes. Le scaffold pouvant être modélisé par un réseau de fibres connectées par des noeuds, on utilise alors les modèles de chimiotactisme déjà étudiés mais cette fois sur des réseaux  avec croisement. Le modèle mathématique pourrait permettre d'optimiser la géométrie du "scaffold" pour rendre minimal le temps de déplacement des fibroblastes.
     

Migration de cellules endothéliales sur des substrats attractifs

  • Contact : Magali Ribot (ribot@unice.fr)
  • Partenaires : Clair Poignard (INRIA Bordeaux), Biologistes de Bordeaux
  • Mots-clefs : cellules endothéliales, migration, substrat adhésif, chimiotactisme
  • Résumé :
    Afin de vasculariser une structure artificielle, les biologistes essaient de  contrôler la migration des cellules endothéliales, par exemple en alternant des substrats adhésifs faits de peptides avec des substrats non-adhésifs afin de concentrer les cellules. Nous proposons un modèle couplant des équations du chimiotactisme posées sur deux domaines différents : les parties adhésives et les parties non-adhésives. Nous cherchons à comprendre à partir de ce modèle quelle sera la répartition finale des cellules, mais aussi comment va s'opérer la migration des cellules.
     

Simulation numérique de modèles liés aux accidents vasculaires cérébraux (AVC)

  • Contact : Stéphane Descombes (sdescombes@unice.fr)
  • Partenaires : équipe NACHOS (INRIA Sophia-Antipolis)
  • Résumé :
    Le domaine de la biologie ciblé est la médecine et les outils mathématiques utilisés sont les méthodes numériques performantes et rapides pour les équations de réaction-convection-diffusion.