Dynamics and synchronization in biological excitable media

par Jinshan Xu

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Zonghua Liu et de Alain Pumir.

Le président du jury était Martine Ben Amar.

Le jury était composé de Zonghua Liu, Alain Pumir, Martine Ben Amar, Alexander V. Panfilov, Cyril Rauch, Nicolas Garnier, Sitabhra Sinha.

Les rapporteurs étaient Alexander V. Panfilov, Cyril Rauch.

  • Titre traduit

    Dynamique et synchronisation dans les milieux excitables biologiques


  • Résumé

    Cette thèse étudie l'origine de l'activité spontanée dans l'utérus. Cet organe n'a aucune activité jusqu'à la délivrance, où les contractions rapides et efficaces sont générés. Le but de ce travail est de fournir un aperçu de l'origine des oscillations spontanées et de la transition de l'activité asynchrone à synchronisé dans l'utérus gravide. Un aspect intéressant de l'utérus est l'absence de pacemaker. L'organe est composé de cellules musculaires, qui sont excitables, et conjonctives, dont le comportement est purement passif, aucune de ces cellules, pris isolément, oscillent spontanément. Nous développons une hypothèse basée sur l'augmentation grande du couplage électrique entre les cellules observée pendant la grossesse. L'étude est basée sur deux modèles des cellules excitables, couplé à l'autre sur un réseau régulier, et un nombre variable de cellules passives, en accord avec la structure connue de l'utérus. Les deux paramètres du modèle, le couplage entre les cellules excitables, et entre les cellules excitables et passive, croissent pendant la grossesse. En utilisant les deux modèles, nous démontrons que les oscillations peuvent apparaître spontanément lorsque l'on augmente les coefficients de couplage, conduisant finalement à des oscillations cohérentes sur l'ensemble du tissu. Nous étudions la transition vers un régime cohérent, à la fois numériquement et semi-analytique, en utilisant le modèle simple des cellules excitables. Enfin, nous montrons que le modèle réaliste reproduit irréguliers modes de la propagation d'action potentiels ainsi que le comportement de bursting, observé dans les expériences in vitro.


  • Résumé

    This thesis investigates the origin of spontaneous activity in the uterus. This organ does not show any activity until shortly before delivery, where fast and efficient contractions are generated. The aim of this work is to provide insight into the origin of spontaneous oscillations and into the transition from asynchronous to synchronized activity in the pregnant uterus. One intriguing aspect in the uterus is the absence of any pacemaker cell. The organ is composed of muscular cells, which are excitable, and connective cells, whose behavior is purely passive; None of these cells, taken in isolation, spontaneously oscillates. We develop an hypothesis based on the observed strong increase in the electrical coupling between cells in the last days of pregnancy. The study is based on a mathematical model of excitable cells, coupled to each other on a regular lattice, and to a fluctuating number of passive cells, consistent with the known structure of the uterus. The two parameters of the model, the coupling between excitable cells, and between excitable and passive cells, grow during pregnancy.Using both a model based on measured electrophysiological properties, and a generic model of excitable cell, we demonstrate that spontaneous oscillations can appear when increasing the coupling coefficients, ultimately leading to coherent oscillations over the entire tissue. We study the transition towards a coherent regime, both numerically and semi-analytically, using the simple model of excitable cells. Last, we demonstrate that, the realistic model reproduces irregular action potential propagation patterns as well as the bursting behavior, observed in the in-vitro experiments.


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