Parmi les étudiants qui s'intéressent à la physique des systèmes complexes (Physique statistique, Matière molle, Chaos et croissance...) beaucoup s'avèrent en fait motivés par la biologie. Ceux-là intégreraient d'ordinaire, après leur Maîtrise ou leur Grande Ecole, des DEA susceptibles de les orienter vers des thèses regroupées sous le titre "physique inspirée par la biologie" dans les laboratoires de physique où quelques équipes mènent des recherches de ce type. En effet, faute de maîtriser les concepts, les méthodes et les techniques spécifiques des biologistes, ils ne pouvaient affronter en toute sérénité les thèmes développés dans les laboratoires de biologie, d'autant qu'ils n'avaient pas de contacts "officiels" avec eux. Dès 1994, il a donc semblé opportun de donner à ceux-là les moyens d'acquérir une culture et un savoir faire de biologiste tout en les incitant à développer leur aptitude à la modélisation et à l'instrumentation autour de thèmes liés à la "physique inspirée par la biologie", à la génétique et à l'imagerie.
Pour atteindre cet objectif et répondre ainsi aux demandes conjointes de ces étudiants de physique et des Laboratoires de biologie et de physique concernés, le DEA de "Champs, Particules, Matières" et le DEA "Biologie Moléculaire de la Cellule" ont décidé d'ouvrir une partie de leurs enseignements aux étudiants d'une formation "métisse" intitulée "Interfaces Physique Biologie" qui, après trois ans d'expérience et devant son succès, est devenue en 1997 un DEA autonome bien que toujours lié, par des modules communs, aux deux DEA fondateurs.
Ainsi le DEA IPB offre aux étudiants, issus des maîtrises de physique ou des grandes écoles, une formation équilibrée sur trois plans - théorie, modélisation, imagerie - capable de les conduire vers des thèses variées tant en physique (physique statistique, matière molle, physique non linéaire, croissance...) qu'en biologie (génétique, immunologie, neuroscience, imagerie biomédicale...). Bien entendu, il leur donne en prime un accès direct aux thèmes de recherche situés à l'interface physique - biologie, secteur en plein développement dont les trois composantes correspondent aux activités récemment regroupées dans les interdépartements du CNRS intitulés "physique et chimie du vivant", "génome" et "imagerie biologique et médicale".
I - Matière condensée : B. Pansu (MC) - 15 heures
Ce cours d'introduction à la Physique de la Matière Condensée a pour objectif de fournir les concepts essentiels tissant les liens profonds entre la physique des solides classique et la physique de la matière mal ordonnée (cristaux liquides, colloïdes, sytèmes biologiques). Après une rapide revue des principales propriétés des solides classiques, nous discuterons de la stabilité des phases ordonnées comme résultant soit de la propagation d'un ordre local, soit de la compétition entre diverses interactions moléculaires. La structure des phases sera abordée à travers diverses techniques expérimentales (RX, neutrons...). Les défauts structuraux jouant un rôle prépondérant aussi bien dans les textures que présentent ces phases que dans les transitions, nous présenterons les différents types de défauts (ponctuels ou linéaires) qui affectent l'ordre positionnel oul'ordre orientationnel. Enfin, nous aborderons la spécificité des ordres bidimensionnels et unidimensionnels.II - Structures molles et fluctuantes : L. Auvray (DR) - 15 heures
En ce qui concerne plus particulièrement la description des structures molles et fluctuantes de la physico-chimie des polymères, des colloïdes et des systèmes biologiques, le cours s'articulera autour des deux points suivants :Mécanique statistique et
physique des membranes
J.-B. Fournier (CR) (15 heures)
Ce cours a pour but d¹introduire les notions essentielles concernant les membranes bicouches et leur description en physique statistique. Ces membranes, qui constituent un modèle simplifié des parois des liposomes et des cellules, sont des assemblages bidimensionels fluides de surfactants ou de lipides. Le cours décrira dans un premier temps les notions de base : énergie de courbure moyenne et gaussienne (hamiltonien d¹Helfrich), topologie et théorème de Gauss-Bonnet, vésicules contraintes en aire et en volume. Ensuite viendront les propriétés de fluctuation des membranes et leur analyse en terme de changement d¹échelle, avec introduction de la notion de tension effective, de rigidité renormalisée et de répulsion entropique . La seconde partie du cours discutera des phénomènes plus pointus : interactions entre inclusions membranaires (élastiques et de « Casimir »), adhésion faible et adhésion focale, et finalement quelques notions de dynamique.
Physique
statistique avancée
J.-B. Fournier (CR) 30 heures
Ce cours de physique statistique, adapté aux recherches menées dans le domaine "physique inspirée par la biologie", servira aussi d'ossature et d'articulation aux deux autres cours développés en parallèle ("Matière, Organisation et Dynamique" et "Chaos et Croissance"). Son ambition est d'être une introduction aux idées communes à un grand nombre de problèmes physiques et d¹autres disciplines. Les techniques de calcul seront exposées en détail. L¹accent sera mis sur la description des systèmes complexes en théorie des champs, sur les phénomènes critiques et les lois d¹échelle. Le plan est le suivant :
1) Percolation : distribution des amas, invariance d¹échelle,
fractales, exposants critiques.
2) Théorie des champs et modèles
magnétiques : rappels de
physique statistique, modèles d¹Ising et de Heisenberg, universalité, lois
d¹échelle et exposants critiques, construction d¹une théorie des champs pour un
système complexe, intégrales gaussiennes, fluctuations, corrélations, théorie
de champ moyen. Calcul diagramatique, développements perturbatifs.
3) Renormalisation : le sens physique de la procédure de renormalisation (regarder le système au
« mégascope »), calcul perturbatif de la renormalisation de la théorie
dite de « phi 4 », obtention des lois d¹échelle et des relations
entre exposants critiques.
4) Correspondances entre systèmes
statistiques : la percolation
et le modèle de Potts à n états dans la limite n tend vers 1 ! les
polymères auto-évitants et le modèle d¹Heisenberg à n composantes dans la
limite n tend vers 0 !
5) Processus stochastiques : équation de Langevin, mouvement brownien,
bruit thermique, équations de Smoluchowski, diffusion dans un puit de potentiel
et échappement de Kramer, dynamique interfaciale (modèles d¹Edwards-Wilkinson
et de KPZ) ; théorème fluctuation-dissipation et relaxation vers
l¹équilibre, équation maîtresse, bilan détaillé, simulations de Monte Carlo.
Introduction à la physique de la matière condensée :
B. Pansu (MC) - 20 heures
Dans les systèmes vivants coexistent de nombreux états de la matière condensée et leur physique fait ainsi appel à de nombreux concepts développés dans un cadre plus classique. Systèmes colloïdaux, phases cristal liquide, polymères largement étudiés par les physiciens et physico-chimistes, se retrouvent souvent intimement mélangés dans les systèmes biologiques.
Ce cours a pour but d'introduire quelques concepts simples nécessaires à la compréhension de ces systèmes :
- Relation forces-structures en matière condensée
- Analyse de l'ordre orientationnel et positionnel (diffusion de RX, neutrons...)
- Mesures des forces à différentes échelles
- Elasticité et défauts
- Propriétés rhéologiques
- Physique des polymères (polymères aux interfaces ou confinés)
- Systèmes membranaires.
Systèmes Dynamiques
S. Douady (CR), R. Perzynski (Pr) - 20 heures
Systèmes dynamiques-chaos : Stéphane Douady
- systèmes dynamiques non linéaires introduction au chaos.
- Equation d¹amplitude / forme normale, à propos de l¹instabilité de Faraday.
- Notion de bifurcation analogie avec les transitions de phase.
- Friction solide, stick-slip : milieux granulaires.
- Instabilité secondaire, chaos.
Instabilités-structures auto-organisées-Croissance : Régine Perzynski
- Instabilités d¹interfaces : liquides magnétiques, membranes, milieux granulaires mouillés.
- Instabilités morphogéniques croissance dentritique : digitations visqueuses et fronts fractals.
- Quelques modèles de croissance biologique.
- Structures auto-organisées domaines et motifs.
Cet enseignement a pour principal objectif de montrer, à travers quelques exemples, ce qu'une approche physique peut apporter à la compréhension de structures et de mécanismes observés à l¹échelle de la cellule ou de la molécule unique. Il est complété par des séminaires.
I - Aspects physiques du
cytosquelette : C. Sykes (DR) - 10 heures
1 - Architecture du cytosquelette .
Filaments d'actine, microtubules, filaments intermédiaires ; dynamique des filaments ; rôle des différents éléments dans la tenue mécanique et la motilité cellulaire.
2 - Méthodes expérimentales de manipulation et visualisation.
Micropipettes ; pinces optiques ; magnétocytométrie ; étirement uniaxal ; microscopie à force atomique. Différentes méthodes de visualisation et de marquage.
3 Dynamique cellulaire.
Réseaux d'actine in vitro (en 2D et en 3D) ; élasticité de membrane : globule rouge ; rhéologie cellulaire : globules blancs, fibroblastes, cellules endothéliales ; physique et mécanique de l¹adhérence, de la migration et de la mitose.
II - Manipulation d'ADN surenroulé : D. Bensimon (DR) - 10 heures
1 - Théorie de l'ADN comme polymère - avec
ou sans enroulement.
Modèle du vers ; modèle de Marko et Siggia ; Rod like Chain model Bouchiat et Mézard ; élasticité d'un hétéropolymère.
2 - Le surenroulement de l'ADN dans la
nature.
Compaction de la molécule (histones, chromatine, etc...) ; transcription ; Réplication et Topoisomérases.
3 - Description des expériences de
manipulation de molécules d'ADN uniques.
Pinces optiques ; microfibres (AFM) ; pinces magnétiques ; constructions d'ADN.
4 - Mesures de Forces sur ADN enroulé.
Courbes force-extension à surenroulement constant ; courbes enroulement-extension à force constante.
5 - Transitions structurelles dans un d'ADN
enroulé.
6 - Dynamique des Topoisomérases sur un
ADN.
III
- Moteurs moléculaires : F. Nedellec - séminaire
Importance du problème en biologie et expériences typiques ; modélisation et caractéristiques principales des moteurs isolés (rectification des fluctuations, rendement) ; comportement collectif des moteurs (transitions dynamiques, oscillations)
IV Déclins de fluorescence picosecondes
en microscopie : un nouvel outil pour la biologie cellulaire : M. Coppey (DR) - séminaire
1 : rappel des propriétés physiques de la fluorescence : la fluorescence comme sonde de paramètres physico-chimiques locaux. Méthodologies et technologies . (Déclins de fluorescence, FRET, Anisotropie de fluorescence). Les protéines fluorescentes utilisées en biologie (GFP et variant spectraux).
2 : Exemples d¹utilisation de ces méthodologies à des problématiques de biologie cellulaire : interactions protéine-protéine (hétéro et homo-dimérisation) et protéine ADN en cellule vivante par imagerie de déclins picoseconde de fluorescence.
Y . Frégnac (DR), A. Joliot (CR), A. Trembleau (Pr), Ph. Vernier (DR)
Le contenu de l¹enseignement
s¹attachera à montrer comment, depuis le neurone jusqu¹aux réseaux responsables
des phénomènes comportementaux les plus élaborés, la manière dont sont
construits les éléments qui composent le système nerveux est entièrement
dirigée vers la fonction de transmission et de traitement d¹informations. Il
s¹agira donc bien de montrer comment se fabrique et s¹organise le système
nerveux pour permettre à chaque instant l¹adaptation de l¹organisme au milieu
et aux circonstances de sa vie.
Les principaux thèmes qui seront
développés dans ce module sont les
suivants:
1- Présentation
générale du système
L¹organisation
anatomique et fonctionnelle du système nerveux : Principes généraux qui
président au fonctionnement du système nerveux. (P. Vernier, 2h30).
2- mise en place de l¹organisation du
système nerveux
La neurogénèse et la différenciation
neuronale : Approches génétiques (modèle de la mouche Drosophile) et approches
cellulaires (les molécules d'adhérence cellulaire): leurs apports dans la
compréhension des mécanismes moléculaires contrôlant la différenciation des
neurones (A. Joliot, 2h30).
Du
tube neural au système nerveux central : L'établissement des axes
antéro-postérieur et dorso-ventral du tube neural des vertébrés. Le
déterminisme de l¹identité anatomique et fonctionnelle des grandes régions du
système nerveux: segmentation du cerveau antérieur et mise en place de régions
organisatrices (l'exemple de la jonction mesencéphale-rhombencéphale). La
formation des grandes divisions du cerveau antérieur (pallium et sous-pallium),
et ses conséquences pour l¹évolution du cerveau. La différenciation du
néocortex et la mise en place des spécialisations fonctionnelles (A. Trembleau
et P. Vernier, 2 x 2h 30).
3- Biologie
cellulaire du neurone
La
physiologie du neurone (une cellule spécialisée dans la transmission de
messages) : L¹organisation compartimentée des neurones, l'"adressage"
des récepteurs et des canaux ioniques aux différents compartiments
membranaires. La genèse et la transmission de l'influx nerveux, le rôle des
dendrites et des axones, la libération et l¹action des neurotransmetteurs (P.
Vernier, 2h30).
La
plasticité neuronale : Les "périodes critiques" et leur importance
dans la maturation épigénétique des systèmes sensoriels. La plasticité
morpho-fonctionnelle des connexions synaptiques sous contrôle de l'activité des
neurones. Le renouvellement, dans le cerveau adulte, de certaines populations
de neurones: implication de cette forme extrême de plasticité dans des
processus d'apprentissage (le modèle du système du chant des oiseaux). (A. Trembleau,
2h30).
4- Réseaux et
représentations mentales (4 séances de 2h30 Y. Frégnac).
De la modélisation des propriétés
d¹intégration du composant neuronal à l¹étude de la dynamique collective des
assemblées cellulaires: canaux; synapses ; théorie des câbles et
simulation de l¹intégration neuronale, importance de géométrie dendritique
neuronale ; Simulation d¹une architecture de réseau ; résonance
stochastique et traitement de l¹information dans les réseaux corticaux .
De l'architecture du réseau à la fonction: Simuler le
³ langage neuronal ² en temps réel ; Technologies hybrides dans
le ganglion stomatogastrique des invertébrés et le thalamus des vertébrés.
Application à l¹étude du système thalamo-cortical et la génèse des rythmes
lents dans le sommeil et l¹épilepsie .
De la
sensation à la perception : Exemple de la voie visuelle responsable du
traitement des formes. De l¹imagerie synaptique fonctionnelle à l¹imagerie
cérébrale; oscillations, synchronie et perception. Des algorithmes locaux de
plasticité à la genèse des représentations: Auto-organisation et apprentissage
supervisé dans les réseaux sensoriels; Plasticité post-lésionnelle dans le
cortex adulte. Membres phantômes.
Concepts et
méthodes en biologie
H. Le Guyader (Pr), Ph. Vernier (DR) et M. Volovitch (Pr)
Les progrès de la génétique moléculaire au cours des 10-15 dernières années ont ouvert les perspectives remarquables qui vont de la compréhension des mécanismes fondamentaux de fonctionnement des gènes jusqu'à de très nombreuses applications médicales (bases moléculaires des maladies héréditaires, diagnostic prénatal, compréhension du cancer, possibilité de thérapie génétique, etc). Ces possibilités suscitent aussi des interrogations éthiques. La première partie du cours a pour but de faire comprendre, dans leurs grandes lignes, ces développements, de permettre aux étudiants le dialogue avec les biologistes et d'appréhender les thématiques qui leur seront proposées en thèse. Les progrès de la génétique moléculaire illustrent l'unité profonde du vivant au niveau cellulaire et moléculaire. Néanmoins, la caractéristique frappante du vivant est aussi sa diversité ! La seconde partie du cours traite de la biodiversité dans une perspective évolutionniste. Après une présentation des grands plans d'organisation des êtres vivants, elle présente cette diversité dans un cadre phylogénétique et discute des relations entre biologie du développement et évolution.
Mini-stage au
Centre Paul Pascal de Bordeaux
A. Arneodo (DR)
Ce
stage dans un laboratoire interdisciplinaire situé hors de la région parisienne
permet aux étudiants d'Interfaces de vivre une semaine de recherche, centrée
sur le thème : ondelettes, fractals et biologie. Ils sont ainsi immergés dans
un milieu où les interactions entre physiciens et biologistes sont
quotidiennes.
Cette partie présente les principes de base et les méthodes permettant d'obtenir des images ou des cartes de la fonction cérébrale par Tomographie par émission de positions (TEP) et Imagerie par Résonance Magnétique (IRM). Elle compare les avantages et les limites de ces techniques et donne les bases de l'analyse de données en imagerie neurofonctionnelle. Elle montre des exemples d'applications en neurosciences. Voici son programme :
| Responsable de la Formation | Luc VALENTIN (Paris 7) |
| Directeur des Etudes | André ADOUTTE (Paris 11) |
| Correspondant biologie Paris 7 | Michel VOLOVITCH |
| Correspondant physique Paris 11 | Jean-François SADOC |
| Secrétariat | Chantal HUBERT |
| François AMBLARD | ESPCI |
| Michel BORNENS | Institut Curie |
| Olivier CARDOSO | LPS Ulm |
| Patrice DENEFLE | Rhone Poulenc Rorer |
| Emmanuel FARGE | Institut Curie |
| Vincent GIBIAT | LOA Paris 7 |
| Hervé LE GUYADER | LBC Orsay |
| Claudie ISNARD | Institut Jacques Monod |
| Jean-Luc LEVEQUE | L'Oréal |
| Françoise LIVOLANT | LPS Orsay |
| Francis QUETIER | Centre National de Séquençage |
| Hervé TRICOIRE | institut Jacques Monod |
| Marc VASSEUR | Genset |
| X | Synthélabo Recherche |
|
François AMBLARD |
Institut Curie - Physique |
|
Michel BORNENS |
Institut Curie - Biologie |
|
Olivier CARDOSO |
LBHP - PARIS 7 |
|
Caroline CUSTODY |
Corning SA |
|
Patrice DENEFLE |
Rhone Poulenc Rorer |
|
Emmanuel FARGE |
Institut Curie - Paris 7 |
|
Isabelle GEAHEL |
Corning SA |
|
Claudie ISNARD |
Institut Jacques Monod - Paris 7 |
|
Jean-Luc LEVEQUE |
L'Oréal |
|
Françoise LIVOLANT |
LPS Orsay |
|
Francis QUETIER |
Centre National de Séquençage |
|
Pierre TAMBOURIN |
Génopôle Evry |
|
Hervé TRICOIRE |
Institut Jacques Monod |
|
Marc VASSEUR |
Genset |
|
Pascal GEORGE |
Synthélabo Recherche |
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Abbréviations utilisées:
Pr Professeur MC Maître de Conférence DR Directeur de Recherche CR Chargé de Recherche Ing Ingénieur
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