GROWTH, ELECTROCHEMICAL DEPOSITION, MORPHOGENESIS, JELLYFISH, CHICKEN, DEVELOPMENT, GASTRULATION, DENDRITES FRACTALS

Suivi des trajectoires (lignes d'émission) par la méthode de la PIV.

Mes thèmes de recherches.

SUJETS DE STAGE Sujet N° 1 plutôt vaisseaux sanguins

La morphogenèse a connu en France un fort essor depuis les années 80, grâce à l'activité pionnière de chercheurs comme Yves Couder, Pierre Pelcé et d'autres, qui ont forgé des outils mathématiques permettant de traiter des questions d'évolution au cours du temps de "frontières libres". Les problèmes de morphogenèse sont en effet des problèmes scientifiquement difficiles, car il faut comprendre l'établissement d'une forme, sans idée a priori sur "ce qui va sortir".

Jusqu'il y a peu, la science essayait d'expliquer l'émergence de formes par des théories qui, regardées en détail, supposaient en fait déjà connue la forme à venir. Deux exemples : les pattes des insectes sont des tubes télescopiques à plusieurs segments. L'origine de ces tubes est dans la disposition radiale et concentrique des cellules qui se développent sur le côté de l'abdomen des insectes. La plupart des travaux sur les pattes des insectes présupposent que les "bourgeons" de pattes sont des anneaux concentriques. Ce sont donc des modèles qui font déjà l'hypothèse que la patte d'insecte est un tube télescopique. Autre exemple, plus proche de nous : on explique la formation des membres des vertébrés par des champs de diffusion de molécules chimiques, avec des nuances "antero-postérieures", "dorso-ventrales" et "proximo-distales" agissant dans un "bourgeon de membre". Une fois encore, ces modèles présupposent qu'il existe quelque chose comme un bourgeon de membre sur le côté du corps des vertébrés. Ces modèles font donc implicitement l'hypothèse, d'un fait qu'ils cherchent à démontrer.

Le vrai défi des études contemporaines est de traiter les formes comme des objets mathématiquement "libres", et de voir se former les objets réellement observés, spontanément, comme formes émergent d'un ensemble minimal de règles physiques satisfaisant aux lois fondamentales de la physique. Cette approche refuse des explications du type "c'est le gène qui..."

Sur ces questions, j'ai proposé plusieurs modèles physiques décrivant certains aspects de la formation des vaisseaux sanguins. En réalité, ces modèles se ramènent à un modèle unique, qui incluerait l'ensemble des déformations agissant sur les vaisseaux en cours de croissance. Cette biophysique de la formation des vaisseaux sanguins explique très bien l'auto-organisation du système artériel et veineux, en particulier, comment les artères instruisent leurs veines.

Un cas particulier est celui du cordon ombilical, ces modèles expliquent très bien pourquoi il y a des veines et des artères dans le cordon, qui suivent le même chemin. C'est un fait bien connu du grand public que le cordon contient des artères et des veines, entortillées. Il est moins connu cependant que cet appariement est général, aussi bien dans le cordon, que partout ailleurs, dans le placenta ou tout autre partie du corps. Nous avons élucidé l'origine de cet appariement très récemment, en mesurant finement les propriétés mécaniques du tissu situé entre les artères et les veines.

J'ai suggeré l'existence d'une correspondance entre la croissance des végétaux et celle des cristaux. Les végétaux tendent à former des tiges, ou des structures coniques. J'ai attribué la tendance à pousser tout droit dans certaines directions, à une stabilisation par le motif du champ de fibres. par exemple, les épines sont pointues dans une direction. Mais cette direction est congruente avec l'organisation des fibres. Par congruente, j'entends non pas strictement parallèle, mais organisée autour du même centre de symétrie. La convergence des fibres vers ce centre crée une singularité de la tension (au sens mécanique), qui sélectionne la direction de croissance du phénomène biologique. Ce modèle explique qualitativement la formation de tiges dans l'axe des singularités des champs de fibres, la formation des citrons ou des navets, et quelques propriétés générales des végétaux, qui les distinguent des cristaux (dans les cristaux, le champ d'organisation cristalline est à longue portée, dans les végétaux, le champ de directeur est local). Je pense que ce modèle s'applique également à la formation des pattes des insectes (phénomène dit d'éversion, par lequel les pattes jaillissent sur le côté du corps des insectes par un mécanisme de sortie télescopique d'anneaux concentriques eux mêmes appelés disques imaginaux).

Depuis un certain temps, je travaille sur la morphogenèse des glandes, du rein et du poumon. J'ai en particulier donné une possible explication à l'origine évolutive de ces organes. J'ai montré en collaboration avec l'équipe de David Warburton, et dans le cadre de la thèse de Mathieu Unbekandt, que les principaux gènes de la morphogenèse (Fgf10, VEGF, Sprouty) de ces organes étaient mécanosensibles.

Mes travaux récents concernent la formation des empreintes digitales, et leur impact sur la forme des doigts.

Je travaille également sur le développement des tétrapodes et particulièrement des humains. J'ai proposé une synthèse mécanogénétique du développement des tétrapodes qui explique très naturellement leur origine (attracteur d'un mouvement hyperbolique de collision de tourbillons). L'évolution du cerveau humain s'explique assez simplement comme un enroulement dynamique "coincé" dans un champ de morphogenèse de type "dilatation-tourbillon". Ce type de physique explique assez simplement les observations de Mme Dambricourt-Malassé sur l'évolution de la tête humaine ("contraction crânio-faciale").

Enfin, j'ai développé un instrument de mesure de l'élasticité des embryons, in vivo, appelé Tonomètre à jet d'air. La tonométrie à jet d'air consiste à mesurer la dureté d'un objet en soufflant dessus avec de l'air. Dans le cas qui m'intéresse, on génère un fin jet d'air avec une pipette très fine. L'injection de l'air, très localisée, à la surface d'un embryon induit une déformation, qui est mesurée avec précision (fraction de micron en Z, quelques microns au mieux en x-y). On obtient ainsi des renseignements, point par point, sur les gradients de propriétés physiques. L'innovation dans l'instrument que j'ai proposé réside dans la façon dont le jet d'air est généré, et mesuré (c'est la fine pipette qui émet l'air, qui sert elle-même de fibre optique pour guider la lumière de détection).

J'ai dirigé la thèse de doctorat de Marcus Dejmek (soutenue à l'automne 2002), et celle de Mathieu Unbekandt, sur le développement des organes arborisés (type poumon). J'ai dirigé la thèse de Alia Al-Kilani, sur la formation du système vasculaire (et particulièrement la transition cis-trans).

J'ai par ailleurs une activité vers le domaine littéraire (quatre romans, quelques articles de critique).

J'ai également une activité dans le domaine de la défense-sécurité.