Fonctions physiologiques

Contributeurs : Catherine Christophe (INRA), Christophe Lecerf (École des Mines Alès), Nadine Peyrieras (Institut de neurobiologie CNRS), Jean Sallantin (CNRS LIRMM).

Mots clés : outils d’observation et de mesure in vivo, observations spatio-temporelles multi-échelles, fonctions subcellulaires et supracellulaires, interaction organisme/environnement, ontogenèse, perturbations physiologiques.

Introduction

Les fonctions physiologiques découlent de l’intégration des propriétés cellulaires, tissulaires et organiques dans le contexte de l’organisme entier en interaction avec son environnement. L’étude des fonctions physiologiques, en tant qu’approche des systèmes complexes, implique de concevoir et de mettre en œuvre une stratégie de va-et-vient entre mesures et expérimentation, modélisation et simulation. Un tel objectif exige la conception d’outils d’investigation multimodaux pour réaliser l’enregistrement simultané in vivo de paramètres utiles à différentes échelles spatio-temporelles, et pour développer des méthodes théoriques ainsi que des outils permettant une modélisation et une simulation par ordinateur appropriées.

Les résultats attendus sont la conception de nouveaux outils de recherche et de méthodes théoriques pour observer, modéliser, comprendre et éventuellement contrôler les fonctions physiologiques.

Grands défis

Intégration de modalités d’observation d’activités physiologiques à différentes échelles spatio-temporelles
Caractérisation du contexte déterminant l’apparition d’une fonction physiologique, ou sa stabilité et sa modulation
Étude des relations entre l’ontogenèse d’une fonction physiologique et ses éventuels dysfonctionnements

2.3.1. Intégration de modalités d’observation d’activités physiologiques à différentes échelles spatio-temporelles

Une vision intégrée des mécanismes subcellulaires et supracellulaires implique :
(i) soit de replacer dans un même cadre de référence spatio-temporel des données hétérogènes obtenues à partir d’un même organisme à différents moments,
(ii) soit de concevoir de nouveaux outils permettant d’enregistrer simultanément des données multimodales.

Le premier objectif peut être atteint par des méthodes disponibles allant de la mise en correspondance spatio-temporelle à la fusion d’informations. Ces méthodes sont toutefois limitées par les problèmes et les erreurs de recalage (rigide ou élastique) qu’elles peuvent induire.

La seconde option représenterait une percée décisive et fournirait une instrumentation de nouvelle génération en offrant un accès immédiat aux observations des principales variables structurelles et dynamiques (chimiques, électriques, mécaniques, etc.) à toutes les échelles spatio-temporelles pertinentes. Une telle démarche a été entreprise en imagerie médicale au niveau d’observations macroscopiques avec les techniques optiques-PET et PET-CT et, pour les variables physiologiques vivantes, avec des capteurs intégrés ambulatoires permettant des observations de patients en temps réel et dans un environnement naturel. Dans le domaine végétal, des plates-formes phénotypiques permettent le suivi de flux d’éléments entre racines et feuilles à différentes échelles temporelles. L’intégration de telles observations synchrones et multimodales aux modèles pertinents devrait fournir une base solide pour la reconstruction des fonctions physiologiques.

2.3.2. Caractérisation du contexte déterminant l’apparition d’une fonction physiologique, ou sa stabilité et sa modulation

L’objectif est ici l’étude de la fonction vue comme une intégration de sous-fonctions dans différents contextes ou à travers deux approches, l’approche perturbative et l’approche comparative. Différents facteurs ou conditions, de type repos/mouvement, diète/nutrition, entraînement, peuvent influencer le système et lui faire adopter de nouveaux modes de fonctionnement. La physiologie comparée offre un moyen d’étudier la préservation ou l’adaptation des fonctions physiologiques. Cette approche est pertinente pour l’étude de la respiration et de la locomotion chez les animaux (règne animal) comme pour l’étude de la maturation des fruits (règne végétal).

Les fonctions physiologiques devraient être caractérisées par l’extraction de variables de haut niveau, appelées « variables thermodynamiques » ou à travers les notions d’allométrie (conservation de caractéristiques malgré les variations de taille). De manière générale, nous devrions être capables de définir des invariants (ou des relations invariantes) liés aux fonctions physiologiques et aux conditions nécessaires à leur conservation.

2.3.3. Étude des relations entre l’ontogenèse d’une fonction physiologique et ses éventuels dysfonctionnements

Les fonctions physiologiques doivent être étudiées dans le cadre de l’ontogenèse, depuis leur maturation jusqu’à leur dégradation, en passant par leur fonctionnement normal à l’état adulte. Le comportement dynamique des fonctions physiologiques doit également être étudié dans les différentes pathologies.

Exemples :

Embryologie du cœur : formation progressive de structures anatomiques et de modèles fonctionnels avec problèmes pathologiques associés à des observations partielles à notre disposition (l’interpolation d’objets présentant de fortes variations structurelles du point de vue de l’architecture anatomique, l’installation des fonctions du tissu nodal ou de la fonction électrophysiologique sinusale, etc.).
Schizophrénie : effets aux niveaux cognitifs les plus élevés des modifications induites par la pathologie à des étages fonctionnels neurologiques élémentaires.

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