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06 May

La mécano-embryologie

Publié par francois delcourt  - Catégories :  #Biomécanique

La mécano-embryologie

Vincent Fleury, biophysicien, directeur de recherche au CNRS tient à le préciser en préambule, les travaux qu’il présente ne font pas polémique au sein de la communauté scientifique de ses pairs. Il travaille sur la morphogénèse animale, en particulier sur l’embryon de poulet ainsi que sur la morphogénèse et l’auto organisation du tissu vasculaire.

Il y a encore peu de temps, et ce, depuis de nombreuses années, la physique et la biologie ne faisaient pas bon ménage, la première utilisant les outils mathématiques et est qualifiée de science exacte, la deuxième a encore à ce jour des difficultés à trouver des modèles généraux, des « lois » propres au vivant tant l’adaptabilité, la contingence, le hasard et le caractère mouvant et dynamique du vivant est grand.

Aujourd’hui, ces « lois » générales de la physique sont-elles applicables au vivant ? C’est ce que Vincent Fleury est en train de démontrer. Comment passe-t-on d’un amas de cellules en forme de disque plat à la structure en 3D d’un embryon organisé ? Peut-on percevoir un ordre, un déterminisme, dans le chaos hasardeux du vivant ? Pour lui, les notions de hasard et de déterminisme ne sont pas incompatibles.

A l’aide de procédés récent d’imagerie (chronophotographie) on peut interpréter les mouvements cellulaires du disque embryonnaire permettant d’interpréter la morphogénèse selon des process physiques de différentiation cellulaire et de viscoélasticité (voir article) de cet amas cellulaire.

Les images statiques, connues depuis toujours de l’embryogénèse, nous montrent une succession d’étapes du développement de l’embryon ; or le mode dynamique, accessible aujourd’hui, montre l’émergence de phénomènes physiques continus viscoélastiques. 

L’embryon (ou disque embryonnaire) est un amas de cellules disposés en quatre anneaux concentriques dont chacun est composés de cellules de tailles homogènes. La taille des cellules composant chaque anneau augmente du centre vers la périphérie, ceci de façon assez brutale (de 5 à 10 puis 15 et 20 micromètres de diamètre) créant une brisure de symétrie. L’ensemble formant des domaines cellulaires bien marqués et discontinus dont la rigidité diminue du centre vers la périphérie et qui vont faire l’objet de plis aux frontières de ceux-ci. 

Différents types cellulaires formant les anneaux concentriques du disque embryonnaire.

Différents types cellulaires formant les anneaux concentriques du disque embryonnaire.

Le mécanisme principal du mouvement cellulaire du disque embryonnaire est un écoulement tourbillonnaire quadripolaire. Cet écoulement forme des vortex dont l’imagerie présente sous forme de flèches représentant la vitesse des cellules. 

Vortex des vitesses d'amas cellulaires

Vortex des vitesses d'amas cellulaires

On peut ainsi visualiser la propagation des cellules en groupes, avec des vitesses et des directions différentes créant l’allongement du disque et la formation d’un axe antéro postérieur qui va donner le futur nevraxe.

La morphogénèse est la combinaison de trois phénomènes :

  1. Un tourbillon quadripolaire qui va vers le futur anus
  2. Un phénomène d’invagination cellulaire
  3. Un étirement

La forme de l’embryon c’est l’écoulement d’une galette molle dans un écoulement quadripolaire. C’est un écoulement hydrodynamique.

Le différentiel de rigidité des anneaux cellulaires concentriques va provoquer un phénomène d’enroulement à la frontière des domaines cellulaires lors de l’étirement de l’ensemble comme une plaque de plastique rigide collée sur une plaque de caoutchouc souple. 

Force est de constater, comme dans les principes d'évaluation des tissus en ostéopathie, que la rigidité intervient en amont de la mobilité, et ce, quelle que soit l'échelle considérée (voir article). La rigidité ou son inverse la compliance, sont la base de la mécanobiologie (voir article). 

La mécano-embryologie

La fermeture du futur tube neural, cet enroulement est un évènement global qui fait passer, pour le biophysicien, du stade disque plat à un organisme en 3D. C’est un enchainement dynamique. 

L’enroulement se referme (chez les vertébrés) du centre vers la périphérie (flambage viscoélastique) et s’allonge créant les somites (à l’origine des futures vertèbres) dont le nombre est fonction de l’expression génétique caractéristique de l’espèce. L’intensité de l’enroulement et des vortex latéraux va créer les futures zones appendiculaires et leurs racines. Un serpent a beaucoup de vertèbres et pas de pattes, le lézard a moins de vertèbres et des pattes.

« Les bassins sont issus d’une sorte d’enroulement de la matière sous l’effet de la traction de l’axe dorsal »

Les bassins sont issus d’une sorte d’enroulement de la matière sous l’effet de la traction de l’axe dorsal

Les bassins sont issus d’une sorte d’enroulement de la matière sous l’effet de la traction de l’axe dorsal

Vers la tête, il se forme un enroulement vers l’avant formant une tête en marteau avec les yeux en position latérale.

L’enroulement vers l’avant est plus ou moins important, ce qui différencie la forme de tête d'un poisson (tête plate ou ronde avec les yeux éloignés et latéraux), d’un crocodilien ou reptilien (tête plate et yeux rapprochés au dessus),  ou d’un humain (tête ronde et yeux rapprochés en avant). 

La mécano-embryologie est une discipline nouvelle, initiée dans les années cinquante par l'embryologiste Erich Blechschmidt et souvent cité comme référence en ostéopathie. Les nouvelles technologies d'investigation non invasives ainsi que les approches pluridisciplinaires vont faire émerger des modèles théoriques qui nous permettront de justifier l'impact physiologique de notre pratique ostéopathique non manipulative. 

Vidéo explicative des travaux de Vincent Fleury

Références

Vincent Fleury. Nicolas R. Chevalier. Buckling along boundaries of elastic contrast as a mechanism for early vertebrate morphogenesis. Eur. Phys. J. E (2015) 38: 6 DOI 10.1140/epje/i2015-15006-7 

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L'ostéopathie et les sciences