Developing spinal cord : from observable collective dynamics to a behavioral model at cell scale

Embryogenèse de la moelle épinière : de la dynamique collective observable à une proposition de modèle comportemental à l'échelle cellulaire

Manon Azaïs (1)

1 CRCA - Centre de Recherches sur la Cognition Animale - UMR5169

We consider the developing spinal cord as a dynamical system made of behavioral units (cells). For the adult spinal cord to be functional, different neurons must be of the right kind at the right place. They are issued from a dynamical process of proliferative and differenciating neural progenitors, with a fine control of the balance between proliferation and differentiation. Some experimental data are available for the evolution of progenitors and neurons population and for how the balance progresses with time. Based on these data, we propose a first model at the collective scale to account for these dynamics all along the process. A second model is proposed at the cell scale which includes a loss of proliferative capacity that progressively concerns more and more progenitors. This behavioural switch at cell scale is reflected by a continous progression of the balance proliferation / differentiation at population scale, as it is experimentally observed. Finally, we introduce a feedback control process so that this progression is under the control of the progenitors and neurons populations. Among the multiple possibilities for this feedback, we point out to the most relevant process. We discuss these findings, and how they can be extended to spatialized dynamics and neocortex development.

Nous proposons un modèle de l'embryogenèse de la moelle épinière considérée comme un système dynamique constitué d'unités comportementales (les cellules). Pour que cet organe soit fonctionnel, il faut que les neurones des différents types soient mis en place au cours de l'embryogenèse, avec le bon nombre de neurones du bon type au bon endroit. Cette mise en place résulte d'un processus dynamique au cours duquel les progéniteurs neuronaux prolifèrent dans les proportions adéquates avant de se différencier en neurones spécialisés. Les données expérimentales disponibles donnent l'évolution des populations de progéniteurs et de neurones, et la balance globale entre prolifération et différenciation. Un premier modèle est énoncé à l'échelle collective pour rendre compte de la dynamique observée sur toute la durée du processus, avec une évolution de la balance prolifération / différenciation ajustée sur les données expérimentales. Un second modèle introduit une différenciation comportementale des progéniteurs sous la forme d'une perte de leur capacité proliférative. Ce changement comportemental, de type tout-ou-rien à l'échelle cellulaire, se traduit à l'échelle collective par une transition continue de la balance prolifération / différenciation telle qu'observée expérimentalement. Enfin, nous explorons un raffinement de ce modèle où ce changement comportemental est gouverné par l'état du système (rétro-contrôle). Nous examinons les différentes possibilités de rétro-contrôles et nous retenons celle qui rend le mieux compte de la dynamique collective observée. En perspective, nous proposons des pistes pour intégrer la dimension spatiale du phénomène, et pour la prolongation de ce travail vers la modélisation du développement du cortex cérébral.

Mots clés: Embryogenesis; Proliferation; Differentiation; Spinal cord; Dynamics; Model

Mots clés: Embryogenèse; Prolifération; Différenciation; Moelle épinière; Dynamique; Modèle

Domaines: Embryologie et organogenèse

Manon Azaïs. Embryogenèse de la moelle épinière : de la dynamique collective observable à une proposition de modèle comportemental à l'échelle cellulaire. Embryologie et organogenèse. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2018. Français. ⟨NNT : 2018TOU30283⟩. ⟨tel-02417559⟩