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Équipe Caractérisation et modélisation personnalisée du système musculo-squelettique (C2MUST)

L’équipe C2MUST développe des outils/méthodes diag­nos­tiques pour la com­préhen­sion, la détec­tion et/ou le suivi du sys­tème Musculo–Tendineux-Squelettique (MTS), dans des sit­u­a­tions physio et pathologiques d’intérêt. Cette car­ac­téri­sa­tion et mod­éli­sa­tion du sys­tème MTS à dif­férentes échelles s’appuie sur une approche inter­dis­ci­plinaire indis­pens­able pour per­son­nalis­er le suivi et la thérapie grâce à une mod­éli­sa­tion adap­tée au sujet.

Présentation de l’équipe

L’originalité de cette équipe est son domaine d’application : le sys­tème musculo/ tendineux/squelettique. Ce domaine est au car­refour d’enjeux méthodologiques (mod­èles com­plex­es per­son­nal­isés, iden­ti­fi­ca­tion de paramètres, mod­éli­sa­tion et prop­a­ga­tion des incer­ti­tudes liées aux don­nées et aux mod­èles), d’enjeux instru­men­taux (développe­ment de méth­odes expéri­men­tales inno­vantes), et d’enjeux clin­iques (com­préhen­sion des patholo­gies, aide au diag­nos­tic basée sur le mod­èle) néces­si­tant le regroupe­ment de com­pé­tences multidisciplinaires.

L’activité de cette équipe est struc­turée autour de deux thèmes :

  • Car­ac­téri­sa­tion mul­ti-échelle et mul­ti-physique
    Ce thème s’appuie sur une approche expéri­men­tale, qui vise à car­ac­téris­er les tis­sus osseux, tendineux et mus­cu­laire, seuls ou en inter­ac­tion, tis­sus sain et pathologique. Le but est de com­pren­dre les rela­tions structure/propriétés mécaniques au sein de ces tis­sus et de fournir une base de con­nais­sances pour des mod­éli­sa­tions mul­ti-tis­sus et fonc­tion­nelles. Les résul­tats per­me­t­tront une inter­ac­tion avec le thème 2 pour la com­préhen­sion des inter­ac­tions au sein du sys­tème MTS complexe.
  • Mod­éli­sa­tion mul­ti-physique et traite­ment de don­nées mul­ti­modales
    Ce thème vise à dévelop­per i) des mod­èles élec­trique et bio­mé­canique et mul­ti-échelle pour une meilleure com­préhen­sion du sys­tème de sys­tème (SdS) MTS; ii) des out­ils d’analyse et d’aide à la déci­sion util­isant des don­nées mul­ti­modales. Les ver­rous sci­en­tifiques néces­si­tent des com­pé­tences pluridis­ci­plinaires pour dévelop­per, valid­er et per­son­nalis­er les mod­èles et out­ils d’aide à la déci­sion. Il com­prend trois pro­jets, et s’appuiera sur une col­lab­o­ra­tion forte, avec le thème 1 et la plate­forme « Tech­nolo­gie, Sport & Santé ».

Thématiques

Caractérisation muti-échelle et multi-physique

Coordinateurs scientifiques : S. Bensamoun et K. EL-Kirat

Ce thème s’appuie sur une approche expéri­men­tale, qui vise à car­ac­téris­er les tis­sus osseux, tendineux et mus­cu­laire, seuls ou en inter­ac­tion, tis­sus sain et pathologique. Le but est de com­pren­dre les rela­tions structure/propriétés mécaniques au sein de ces tis­sus et de fournir une base de con­nais­sances pour des mod­éli­sa­tions mul­ti-tis­sus et fonctionnelles.

Les résul­tats per­me­t­tront une inter­ac­tion avec le thème 2 pour la com­préhen­sion des inter­ac­tions au sein du sys­tème MTS com­plexe. Les études prévues dans ce thème s’organisent prin­ci­pale­ment autour de trois pro­jets, dont un émergent :

K. El Kirat (por­teur), TT Dao, MC Hobatho, J. Landoulsi

L’os est un tis­su hétérogène et anisotrope, soumis à de fortes con­traintes bio­mé­caniques en remod­e­lage con­tinu. Les rela­tions struc­ture et pro­priétés mécaniques en restent dif­fi­ciles à déter­min­er. Cepen­dant elles per­me­t­traient de com­pren­dre les fac­teurs qui influ­en­cent la bio­mé­canique osseuse à dif­férentes échelles pour pro­pos­er des dis­posi­tifs médi­caux innovants.

Notre pro­jet vise donc à pour­suiv­re la car­ac­téri­sa­tion et la mod­éli­sa­tion mécaniques de l’os à dif­férentes échelles et les com­pléter par deux nou­velles approches : l’une de désassem­blage et l’autre d’assem­blage. En effet, les rela­tions entre les matières organique et minérale con­sti­tu­tives sont fon­da­men­tales pour com­pren­dre les pro­priétés de l’os humain.

Dans le désassem­blage les parts organique et minérales seront altérées de façon sélec­tive pour com­pren­dre l’in­flu­ence de cha­cun de ces con­sti­tu­ants. L’assem­blage per­me­t­tra de recon­stituer des sys­tèmes basés sur les deux con­sti­tu­ants qui seront ensuite car­ac­térisés par des méth­odes mécaniques aux échelles micro et nano- métriques.

La mod­éli­sa­tion per­me­t­tra d’op­ti­miser ces assem­blages, de com­pren­dre l’in­flu­ence de l’or­gan­i­sa­tion à la plus petite échelle sur les pro­priétés mécaniques mul­ti-échelles, selon dif­férentes sol­lic­i­ta­tions ou sit­u­a­tions physiologiques.

S. Ben­samoun (por­teur), K. Ben Man­sour, S. Boudaoud, F. Canon, F. Charleux, T.T. Dao, K. El Kirat, D. Gamet, O. Gapenne, J. Lan­doul­si, P. Poule­taut, M. Vayssade (CBB)

In vit­ro : Les pro­priétés vis­coélas­tiques des tis­sus mus­cu­laire et hépa­tique, seront car­ac­térisées par élas­togra­phie IRM (ERM). Des pro­to­coles IRM/ERM seront dévelop­pés en col­lab­o­ra­tion avec des cliniciens.

Les infor­ma­tions mus­cu­laires seront cor­rélées aux infor­ma­tions fonc­tion­nelles obtenues par EMG de sur­face haute réso­lu­tion et for­meront un atlas, pour le suivi des traite­ments et la mod­éli­sa­tion du MTS. En par­al­lèle, des fan­tômes, seront dévelop­pés pour opti­miser les pro­to­coles avant leur appli­ca­tion in vivo.

In vivo : Un mod­èle de souris TIEG1  » TGFb inducible ear­ly gene1 « , présen­tant des anom­alies du sys­tème MTS, nous a per­mis d’analyser l’ef­fet du gène TIEG1 sur le sys­tème os, tendon.

Ce gène TIEG1 étant très exprimé dans le mus­cle, une car­ac­téri­sa­tion mul­ti-échelles sera faite avec dif­férentes tech­niques expéri­men­tales et per­me­t­tra de com­pren­dre son effet sur le développe­ment du mus­cle et de définir des straté­gies thérapeutiques.

J‑F. Gros­set (por­teur), K. Ben Man­sour, F. Canon, C. Legal­lais (CBB), F. Marin, M. Vayssade (CBB)

Une éval­u­a­tion mul­ti-échelle de l’ef­fet du vieil­lisse­ment et de l’ac­tiv­ité physique ou de la déshy­drata­tion sur les struc­tures mus­cu­laires et tendineuses per­me­t­tra d’étudier :

  • les rela­tions struc­ture-pro­priétés du com­plexe mus­cu­lo- tendineux,
  • l’im­pact des mod­i­fi­ca­tions de ce com­plexe sur la sta­bil­ité pos­tu­rale et la capac­ité de mou­ve­ment des per­son­nes âgées,
  • les orig­ines cel­lu­laires de ces adaptations.

Ain­si nous pour­rons mieux com­pren­dre l’adap­ta­tion mus­cu­lo-tendineux et opti­miser l’ac­tiv­ité physique chez la per­son­ne âgée.

Des pro­to­coles seront dévelop­pés chez l’Homme (rela­tions struc­ture-pro­priétés, suivi de ces struc­tures au cours du de l’en­traine­ment du mem­bre inférieur), et in vit­ro chez l’an­i­mal (rela­tions struc­ture-pro­priétés de mus­cles isolés, de ten­dons isolés, et de la jonc­tion mus­cu­lo- tendineuse).

Modélisation multi-physique et traitement de données multimodales

Coordinateurs scientifiques : S. Boudaoud et T. T. Dao

Ce thème vise à développer :

  • des mod­èles élec­trique et bio­mé­canique et mul­ti-échelle pour une meilleure com­préhen­sion du sys­tème de sys­tème (SdS) MTS,
  • des out­ils d’analyse et d’aide à la déci­sion util­isant des don­nées multimodales.

Les ver­rous sci­en­tifiques néces­si­tent des com­pé­tences pluridis­ci­plinaires pour dévelop­per, valid­er et per­son­nalis­er les mod­èles et out­ils d’aide à la décision.

Il com­prend trois pro­jets, et s’appuiera sur une col­lab­o­ra­tion forte, avec le thème 1 et la plate­forme « Tech­nolo­gie, Sport & Santé ».

S. Boudaoud (por­teur), T.T. Dao, O. Foka­pu, D. Gamet, M‑C. Ho Ba Tho, J. Laforêt, F. Marin, C. Marque

Des mod­èles mul­ti-physiques mul­ti-échelles per­son­nal­is­ables, pour la détec­tion, la préven­tion et le suivi de patholo­gies (accouche­ment pré­maturé, sar­copénie) ou de sit­u­a­tions phys­i­ologiques d’in­térêt (entraine­ment) seront dévelop­pés dans ce pro­jet. Ils servi­ront à la com­préhen­sion du com­porte­ment mus­cu­laire pour répon­dre à des ques­tions médi­cales et per­son­nalis­er les thérapies.

Ce pro­jet cible les ver­rous sci­en­tifiques liés à cette mod­éli­sa­tion: mod­èles com­plex­es, analyse de sen­si­bil­ité, iden­ti­fi­ca­tion de paramètres, co-sim­u­la­tion et temps de cal­cul accept­able, val­i­da­tion et personnalisation.

T.T. Dao (por­teur), S. Ben­samoun, S. Boudaoud, K. El Kirat, D. Gamet, M‑C. Ho Ba Tho, D. Istrate, P. Pouletaut

Les mod­èles mécan­is­tiques sont dévelop­pés à par­tir des don­nées mul­ti­modales en bio­mé­canique, mais leurs util­i­sa­tions clin­iques sont lim­itées. Les défis sci­en­tifiques asso­ciés sont :

  • la quan­tifi­ca­tion de la fia­bil­ité de ces mod­èles et de leur prédiction,
  • des sys­tèmes d’aide à la déci­sion de nou­velle généra­tion néces­saires au trans­fert clinique,
  • des modal­ités expéri­men­tales mul­ti­ples néces­saires au développe­ment et à la val­i­da­tion des mod­èles (i.e. recueil con­tinu ambu­la­toire de données).

Ces don­nées sont entachées d’in­cer­ti­tudes, dues à la vari­abil­ité humaine, aux pro­to­coles de mesures et aux mod­èles. Une nou­velle approche de con­cep­tion du sys­tème d’aide à la déci­sion sera néces­saire pour inté­gr­er les mod­èles et sim­u­la­tions bio­mé­caniques ain­si que la fia­bil­ité et l’in­cer­ti­tude, pour quan­ti­fi­er les risques asso­ciés au sys­tème et à son exploitation.

F. Marin (por­teur), S. Boudaoud, S. Ben­samoun , J‑F. Gros­set, K. Ben Man­sour, F. Megrot

Ce pro­jet en con­ti­nu­ité du thème émer­gent « sys­tème Neu­ro­Mus­cu­loSquelet­tique » com­prend trois défis :

  • Défi tech­nologique : com­ment faire la mesure des mou­ve­ments humains et ani­maux en lab­o­ra­toire ou en sit­u­a­tion écologique, et, avec quelles technologies.
  • Défi topologique : déter­mi­na­tion math­é­ma­tique d’un mou­ve­ment fini et con­tinu pour un seg­ment anatomique, et d’une métrique per­me­t­tant de quan­ti­fi­er une dis­tance entre deux mouvements.
  • Défi bio­mé­canique : iden­ti­fi­ca­tion des struc­tures biologiques qui guident, pro­duisent ou lim­i­tent le mouvement…

Pour répon­dre à ces défis, la méthodolo­gie com­bin­era 2 volets :

  • volet expéri­men­tal pour la cap­ta­tion du mou­ve­ment (réal­ité ter­rain, plate­forme Tech­nolo­gie sport santé);
  • volet mod­éli­sa­tion (descrip­tive ou pré­dic­tive, ciné­ma­tique inverse, mod­éli­sa­tion musculo-squelettique).

Membres

Contacts

Responsable scientifique 

Sofi­ane Boudaoud
Tél : 03 44 23 44 23
Mail : 

Responsable scientifique 

Karim El Kirat
Tél : 03 44 23 44 23
Mail : 

Gestion administrative et financière

San­drine Belfe­ki Ban­deira
Tél : 03 44 23 43 89
Mail : 

Directrice du laboratoire

Cécile Legal­lais
Tél : 03 44 23 46 70
Mail :