Tutoriel SimBioDyn

La Migration Cellulaire

Le 13 avril 2006

Auteur : Besancon Gilles (E.N.I.B.)

Laboratoire LISYC - Equipe EBV

Pour toute remarque ou question :

www.simbiodyn.org -> Section Contact

Table des matieres

Introduction 3

I Presentation du logiciel 5

1 Concepts fondamentaux 71.1 Systemes vivants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2 Systeme Multi-Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2.1 Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2.2 Environnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2.3 Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.2.4 Organisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.2.5 Utilisateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3 Systeme dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 Les Espaces de SimBioDyn 92.1 L’espace de Conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.1 Agents Physiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.2 Agents Logiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2 L’espace de Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3 L’espace des Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.4 L’espace d’Experimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.5 L’espace des Informations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

II Migration cellulaire 11

1 Proprietes de l’environnement 13

2 Conception des modeles simplifies de notre systeme biologique 152.1 Conception du modele de la cellule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.1.1 Membrane cellulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.1.2 Cytosquelette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.1.3 Pseudopodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.1.4 Composite ”Cellule” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.2 Conception du modele du substrat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.2.1 Noeud du substrat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.2.2 Composite ”substrat” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.3 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1

3 Modelisation de l’interaction entre la cellule et le substrat 293.1 Ajout de recepteur au noeud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2 Proprietes du lien migratif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.3 Creation de recepteurs sur le composite cellule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.4 Creation d’un recepteur sur le substrat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.5 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4 Creation de comportements de haut-niveau 334.1 Creation d’un comportement de secretion pour les noeuds porteur de recepteurs ”r2” de la

cellule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.1.1 Creation des composites recevant le comportement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.1.2 Creation du comportement de secretion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.1.3 Attribution du comportement de secretion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.2 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

5 Visualisation du deplacement de la cellule 375.1 Creation du composite ”fond” support du tracer de la trajectoire . . . . . . . . . . . . . . . 37

5.1.1 Creation du fichier d’apparence du composite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375.1.2 Association de l’image au composite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385.1.3 Comportement de tracage de la trajectoire du centre de la cellule . . . . . . . . . . . 38

5.2 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Conclusion 41

Index 44

Table des figures 45

References 47

2

Introduction

SimBioDyn est un logiciel developpe a l’Universite de Bretagne Occidentale (UBO) a Brest qui a pour butde simuler numeriquement des phenomenes biologiques. Pour effectuer nos simulations, nous avons besoinde pouvoir creer des modeles numeriques des corps biologiques que nous souhaitons simuler. Le logicielSimBioDyn nous fournit un outil de modelisation complet afin de pouvoir creer nos modeles numeriques.

Le logiciel SimBioDyn est accessible en libre distribution sur le site [Bal05], dans la section telechargement.

Ce tutoriel a pour but de vous familiariser avec l’outil SimBioDyn.A la fin de ce tutoriel vous serez capable de comprendre les concepts de modelisation qui vous permettronsde creer vos propre modeles et de les simuler avec le logiciel SimBioDyn.L’exemple que nous nous proposons de detailler est une modelisation de la migration cellulaire.La realisation de ce modele est divisee en 5 chapitres qui nous amenent a la construction complete d’unmodele de migration cellulaire. Chaque chapitre est presente sous la forme d’etapes intermediaires. Chaqueetape est expliquee par ses grandes actions. Ces actions font references a des methodes qui sont des expli-cations detaillees d’une action.

Le tutoriel est constitue de deux parties :– presentation du logiciel– migration cellulaire

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Premiere partie

Presentation du logiciel

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Chapitre 1

Concepts fondamentaux

1.1 Systemes vivants

Le comportement de la matiere vivante est d’une grande complexite depuis l’echelle moleculaire jusqu’al’echelle des societes.

Generalement, le modelisateur n’a qu’une connaissance partielle et imprecise des entites (molecules, cel-lule. . .) et des comportements des entites (interactions. . .) qu’il souhaite modeliser. La quantite d’interac-tions et l’aspect multi-echelles des interactions rendent l’etude des systemes vivants difficile.

1.2 Systeme Multi-Agents

Une approche de modelisation possible des systemes biologiques est l’approche par systeme multi-agents[Fer95]. Cette notion de systeme multi-agents est la notion centrale sur laquelle est fonde le logiciel Sim-BioDyn. Les systemes multi-agents sont une branche de l’informatique issue de l’intelligence artificielledistribuee et de la vie artificielle. C’est Turing qui, en 1952 dans son article [Tur52], initia cette visionindividu-centre de la resolution de problemes. Cette approche se base sur l’apparition d’une propriete,d’une fonction ou d’une structure globale au systeme que l’on ne trouve pas au niveau des individus(agents) qui composent le systeme. Pour presenter les systemes multi-agents, nous allons nous baser surl’approche proposee par l’equipe MAGMA[Dem95] connue sous le nom d’approche voyelles (Agent, En-vironnement, Interaction, Organisation). Cette approche voyelles a ete etendue par Jacques Tisseau enajoutant la voyelle U manquante, qui designe l’Utilisateur [Tis01].

1.2.1 Agents

Un agent est une entite autonome qui sait percevoir son environnement. Cela lui permet de prendre unedecision concernant le comportement qu’il va devoir adopter. Si l’agent sait planifier, on parle d’agentcognitif. Si la decision est une simple reponse reflexe, on parle d’agent reactif. Une fois leur decision prise,les agents agissent sur leur environnement. L’action menee a bien, ils sont a nouveau appeles a percevoirleur environnement pour connaıtre le nouvel etat de l’environnement qui les entoure.

1.2.2 Environnement

Un environnement est un espace ou se produisent les diverses interactions entre les agents (plan 2D,espace 3D). L’environnement contient, si besoin est, des informations comme la viscosite, la temperature,etc. Dans certains cas, il peut aussi contenir des informations concernant les lois de la mecanique del’environnement reel (forces, collisions, deplacements. . .).

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1.2.3 Interactions

Les interactions sont les moyens de communication mis a disposition des agents afin de communiquer entreeux dans l’environnement. Ce sont les interactions qui permettent les differents comportements tels quela cooperation, la competition ou la coordination. Le concept d’interactions constitue un des points clesdes systemes auto-organises.

1.2.4 Organisation

L’organisation dans les systemes multi-agents est une propriete cle. Elle est le resultat au niveau macrosco-pique des interactions entre les agents au niveau microscopique. L’organisation est definie comme etant ladivision des taches et la distribution des roles et systemes d’autorites [Ber85]. Dans la litterature, on trouvede nombreux types d’organisation, qu’elles soient hierarchiques ou anarchiques, egoıstes ou altruistes, etc.L’organisation entre agents depend du type de societe que l’on desire modeliser.

1.2.5 Utilisateur

L’utilisateur dans un systeme multi-agents a la possibilite au cours de la simulation d’intervenir de dif-ferentes facons, soit par l’intermediaire d’un avatar (agent qui lui permet interagir avec les agents dusystemes), soit en prenant le controle d’un agent du systeme (l’utilisateur se substitue au processus dedecision de l’agent).

1.3 Systeme dynamique

Un systeme dynamique est defini comme etant un systeme deterministe, c’est a dire que son etat futur estentierement determine par ses etats passes et son etat present [WIK].

SimBioDyn utilise un modele dynamique dit non-lineaire. La non-linearite provient du fait que la relationexistant entre l’etat futur et les etats passes et present ne peut pas etre definie sous la forme d’une fonctionaffine. Par ailleurs, les systemes dynamiques non lineaires ont souvent des comportements chaotiques. Ceciles rend apparemment imprevisibles a l’echelle mesoscopique. Malgre cette apparente imprevisibilite, onpeut s’apercevoir que ce sont des systemes parfaitement deterministes a l’echelle macroscopique.

Leur indeterminisme apparent permet de les definir comme des systemes complexes. Des systemes ap-paremment simples mais qui engendre de nombreuses proprietes. Dans notre cas, cela est du en particuliera cinq notions principales :

– le temps– l’espace– la matiere– les fonctions (les comportements)– les interactions

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Chapitre 2

Les Espaces de SimBioDyn

Le logiciel SimBioDyn met a notre disposition differents espaces de travail :– l’espace de conception– l’espace de simulation– l’espace des interactions– l’espace d’experimentation– l’espace des informations

2.1 L’espace de Conception

L’espace de conception permet de creer les modeles numeriques de nos entites. Ces modeles sont crees apartir d’agents de base appeles agents physiques et d’agents de plus haut niveaux appeles agents logiques.

2.1.1 Agents Physiques

Il existe deux types d’agents physiques, les noeuds et les liens. Les agents physiques sont des agents soumisaux lois de la physique de notre environnement. Ils sont de plus influence par les agents logiques qu’ilscomposent. Un agent physique peut appartenir a plusieurs agents logiques.

Noeud : Un noeud dans le domaine du logiciel represente une macro-molecule (masse) dans le do-maine biologique. Les noeuds comme les masses en biologie accueillent des recepteurs qui leur permettentd’interagir avec leur environnement (autres noeuds).

Lien : Un lien dans le domaine du logiciel represente la membrane cellulaire en biologie. Il nous estpossible de configurer les liens en modifiant la valeur des parametres (raideur, longueur au repos, amor-tissement, type de rupture. . .) qui les definissent.

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2.1.2 Agents Logiques

Un agent logique est compose d’un ensemble d’agents physiques. Il influence les agents physiques dont ilest compose dans leur deplacement.

Composite : Un composite est un agent logique, il est donc compose d’un ensemble d’agents physiques.L’utilisation des composites nous permet d’affecter des proprietes ainsi que des comportements globaux aun ensemble d’elements. Un composite est un modele numerique de ce que l’on cherche a modeliser.

2.2 L’espace de Simulation

L’espace de simulation permet de faire vivre et de mettre en interaction, dans un meme environnement,des instances des modeles numeriques que l’on a crees dans l’espace de conception. La simulation nouspermet d’observer le resultat des interactions entre les agents definis dans notre modele.

2.3 L’espace des Interactions

L’espace des interactions nous permet de definir et parametrer les interactions qui ont lieu entre lesrecepteurs (par defaut, les recepteurs n’interagissent pas entre eux).

2.4 L’espace d’Experimentation

L’espace d’experimentation est une interface simplifiee qui fournit a la fois les fonctionnalites de l’espacede conception et celles de l’espace de simulation.

2.5 L’espace des Informations

L’espace des informations est un acces au site de SimBioDyn. Le site offre des informations concer-nant l’evolution du logiciel (mises a jour), des aides sur l’utilisation du logiciel (presentation, tutoriels,exemples. . .) et un forum de discussion sur le logiciel.

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Deuxieme partie

Migration cellulaire

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Dans cette partie nous allons decouvrir les fonctionnalites que SimBioDyn met a notre disposition pourcreer des modeles de systemes biologiques. Nous nous baserons sur un exemple. Nous allons modeliser lephenomene de la migration cellulaire.

Nous allons decomposer la realisation de notre modele complet en 5 sous parties :– edition des proprietes des l’environnement– conception du modele des entites– creation des interactions– creation de comportements– visualisation du deplacement de notre ”cellule”

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Chapitre 1

Proprietes de l’environnement

Nous souhaitons realiser notre experience dans un milieu sans agitation thermique. Ainsi, on definit latemperature a 0 K et la viscosite dynamique a 0.1 Pa.s.Nous nous placons dans l’espace de conception (Methode. SET p.14) (Fig. 1.1).

Fig. 1.1 – Selectionner l’espace de conception

Nous fixons la temperature de l’environnement (Methode. MTE p.14) a 0 K et la viscosite dynamique(Methode. MVDE p.14) a 0.1 Pa.s (Fig. 1.2).

Fig. 1.2 – Modification des proprietes de l’environnement

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Methode : Selectionner un espace de travail (SET)

Selectionner l’espace desire dans le menu deroulant nomme ”Espace” (Fig. 1.3).

Fig. 1.3 – Selectionner de l’environnement de travail

Methode : Modifier la temperature de l’environnement (MTE)

Editer les proprietes de l’environnement (Methode. EPES p.14).Modifier le champs de ”Temperature du milieu”.Valider les proprietes.

Methode : Modifier la viscosite dynamique de l’environnement (MVDE)

Editer les proprietes de l’environnement (Methode. EPES p.14).Modifier le champs ”Viscosite dynamique”.Valider les proprietes.

Methode : Editer les proprietes de l’environnement de simulation (EPES)

Selectionner l’espace de ”Simulation”.Cliquer avec le bouton droit dans l’environnement.Selectionner ”Proprietes de l’environnement” (Fig. 1.4).

Fig. 1.4 – Editer l’environnement

Effectuer les modifications de l’environnement (Fig. 1.5).

Fig. 1.5 – Editer les proprietes de l’environnement

Valider les proprietes.

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Chapitre 2

Conception des modeles simplifies denotre systeme biologique

2.1 Conception du modele de la cellule

Par defaut, SimBioDyn est lance dans l’espace de simulation. Pour creer nos modeles, nous devons nousplacer dans l’espace de ”Conception” (Methode. SET p.14).Nous allons creer notre modele simplifie de cellule en 4 etapes :

– Membrane Cellulaire– Cytosquelette– Pseudopode– Composite ”Cellule”

2.1.1 Membrane cellulaire

Dans un premier temps nous allons creer la membrane de notre cellule.

Proprietes du lien membranaire : Nous creons une interaction (Methode. CEI p.16) de type ”r0”-”r0”. Le lien cree entre deux recepteurs de type ”r0”modelisera la membrane et liera les noeuds composantla membrane de la cellule. Le lien est definit comme etant impermeable (Methode. PPL p.16), de type”ressort” (Methode. MTL p.17), d’elasticite (Methode. PEL p.17) 1.10−7N.m et sera de couleur verte(Methode. CCN p.26) (Fig. 2.1).

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Fig. 2.1 – Edition des proprietes du lien membranaire

Methode : Creer et editer une interaction (CEI)

Selectionner l’espace des interactions.Cliquer avec le bouton gauche sur la case qui lie les deux recepteurs entre lesquels a lieu l’interaction.Selectionner le bouton ”Editer l’interaction” (Fig. 2.2).Effectuer les modifications des proprietes l’interaction.Valider les proprietes.

Fig. 2.2 – Creer et editer une interaction

Methode : Supprimer une interaction (SI)

Cliquer avec le bouton droit sur l’interaction.Selectionner le bouton ”Supprimer l’interaction” (Fig. 2.2).

Methode : Impermeabilite d’un lien (PPL)

Editer les proprietes de l’interaction (Methode. CEI p.16).Decocher la case ”Est Permeable”.Valider les proprietes.

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Methode : Modele du type de lien (MTL)

Editer les proprietes de l’interaction (Methode. CEI p.16).

Selectionner le modele du type de lien dans le menu deroulant ”Type du lien”.

Remplir les proprietes du lien (Methode. PEL p.17).

Valider les proprietes.

Methode : Propriete d’elasticite du lien (PEL)

Editer les proprietes de l’interaction (Methode. CEI p.16).

Remplir le champ ”Raideur du lien” avec la valeur d’elasticite.

Valider les proprietes.

Methode : Changer la couleur d’un lien (CCL)

Editer les proprietes du lien.

Selectionner le bouton ”Choix” de couleur.

Selectionner la couleur desiree dans la palette (Fig. 2.3).

Fig. 2.3 – Palette de couleur

Valider la couleur.

Valider les proprietes du lien.

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Creation de la membrane :

Positionnement des noeuds : Nous ajoutons 8 noeuds (Methode. AN p.18) de rayon 5.10−7m(Methode. MRN p.20) formant un octogone regulier qui s’inscrit dans un carre de 20µm (carre du qua-drillage) dans notre environnement de conception (Fig. 2.4).

Fig. 2.4 – Position des 8 noeuds de la membrane

Methode : Ajouter un noeud (AN)

Selectionner le bouton ”Noeud” dans l’espace ”Ajout” (Fig. 2.5).

Fig. 2.5 – Ajouter un noeud

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Methode : Supprimer un noeud (SN)

Cliquer avec le bouton droit sur le noeud a supprimer.

Selectionner ”Supprimer le noeud” (Fig. 2.6).

Fig. 2.6 – Supprimer un noeud

Methode : Editer les proprietes d’un noeud (EPN)

Cliquer avec le bouton droit sur le noeud.

Selectionner ”Proprietes du noeud” (Fig. 2.7).

Fig. 2.7 – Editer un noeud

Effectuer les modifications des proprietes de l’interaction (Fig. 2.8).

Fig. 2.8 – Edition des proprietes d’un noeud

Valider les proprietes.

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Methode : Modifier le rayon d’un noeud (MRN)

Editer les proprietes du noeud (Methode. EPN p.19).

Modifier la valeur du parametre ”Rayon”.

Valider les proprietes.

Liaison des noeuds : Nous lions (Methode. CL p.20) les noeuds 2 a 2 avec leur voisins par des liensde type ”r0”-”r0” (Methode. STL p.20) defini precedemment afin d’obtenir une entite fermee (Fig. 2.9).

Fig. 2.9 – Membrane de la cellule

Methode : Creer un lien (CL)

Cliquer avec le bouton gauche sur le noeud source et relacher la pression sur le noeud cible.

Methode : Selectionner le type de lien a ajouter (STL)

Selectionner le bouton ”Lien” dans l’espace ”Ajout”.

Selectionner les types des recepteurs qui supporteront la liaison dans les deux menus deroulant (Fig.2.10).

Fig. 2.10 – Selectionner le type de lien a ajouter

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2.1.2 Cytosquelette

Nous avons modelise la membrane de notre cellule, nous pouvons maintenant creer son cytosquelette.

Proprietes du lien cytosquelette : Nous creons une interaction (Methode. CEI p.16) de type ”r1”-”r1”.Le lien cree entre deux recepteurs de type ”r1” modelisera le cytosquelette et liera les noeuds composantsla membrane a un noeud central. Le lien est permeable, de type ”ressort”, d’elasticite 1.10−7N.m et decouleur jaune (Fig. 2.11).

Fig. 2.11 – Edition des proprietes du lien cytosquelette

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Creation du cytosquelette : Le cytosquelette de notre ”cellule” est compose d’une structure rayon-nante et d’un cortex.

Structure Rayonnante : Nous creons un noeud (Methode. AN p.18) de rayon 5.10−7m (Methode.MRN p.20) au centre de l’entite fermee et creons des liens (Methode. CL p.20) reliants le noeud centralet les noeuds composant la membrane (Fig. 2.12).

Fig. 2.12 – Cellule avec membrane et structure rayonnante

Cortex : Nous creons des liens (Methode. CL p.20) liant chacun des noeuds de la membrane a sesdeuxiemes plus proches voisins (Fig. 2.13).

Fig. 2.13 – Cellule avec membrane, structure rayonnante et cortex

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2.1.3 Pseudopodes

Apres avoir modelise, la membrane et le cytosquelette de notre cellule, nous allons modeliser les pseudo-podes de la cellule.

Proprietes du lien pseudopode : Nous creons une interaction (Methode. CEI p.16) de type ”r2”-”r2”.Le lien cree entre deux recepteurs de type ”r2” modelisera le pseudopode. Le lien est permeable, de type”ressort”, d’elasticite 1.10−4N.m et de couleur bleue (Fig. 2.14).

Fig. 2.14 – Edition des proprietes du lien pseudopode

Creation des pseudopodes : Nous choisissons 3 noeuds qui supporterons les pseudopodes (les 3 noeudsen haut a droite). Nous ajoutons un noeud (Methode. AN p.18) de rayon 1.10−7m (Methode. MRN p.20) aproximite de chacun des noeuds choisis et les lions (Methode. CL p.20) entre eux avec un lien pseudopodede type ”r2”-”r2” (Fig. 2.15).

Fig. 2.15 – Cellule avec membrane, cytosquelette et pseudopodes

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2.1.4 Composite ”Cellule”

Nous avons un modele de cellule compose d’agents physiques. Nous creons un composite (Methode. CCp.24) a partir de cet ensemble d’agents physiques. Nous editons les proprietes du composite (Methode.EPC p.25) ainsi cree et le nommons (Methode. NC p.24) ”cellule”. Nous lui appliquons une force aleatoirede 0, 5.10−12 N.Nous validons les proprietes.Methode : Creer un composite (CC)

Selectionner les elements (Methode. SZ p.24) que l’on souhaite regrouper sous un meme composite.

Cliquer avec le bouton droit dans la zone selectionnee.

Selectionner ”Creer un nouveau composite” (Fig. 2.16).

Fig. 2.16 – Creer un nouveau composite cellule

Nous voyons apparaıtre un numero au centre de la cellule qui est le nom actuel de la cellule.

Methode : Nommer un composite (NC)

Editer les proprietes du composite (Methode. EPC p.25).

Completer le champ ”Nom du type de composite” avec le nom desire pour le composite.

Methode : Selectionner une Zone (SZ)

Selectionner l’outil ”Zone” de l’espace ”Selection” (Fig. 2.17).

Cliquer en haut a gauche de la zone rectangulaire que vous souhaitez selectionner et relacher le boutonen bas a droite de la zone.

Fig. 2.17 – Bouton Selection Zone

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Methode : Supprimer un composite (Pas des objets dont il est compose) (SC)

Cliquer avec le bouton droit de la souris sur le nom du composite que l’on souhaite supprimer (Fig. 2.18).

Selectionner ”Supprimer le composite”.

Fig. 2.18 – Supprimer un composite

Methode : Editer les proprietes d’un composite (EPC)

Cliquer avec le bouton droit sur le nom actuel du composite (situe au centre du composite).

Selectionner ”Proprietes du composite” (Fig. 2.19).

Fig. 2.19 – Editer les proprietes d’un composite

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Modifier les proprietes du composite (Fig. 2.20).

Fig. 2.20 – Edition des proprietes d’un composite

Valider les propriete.

Methode : Appliquer une force aleatoire a un composite (AFAC)

Editer les proprietes du composite (Methode. EPC p.25).Cocher la case ”Force Aleatoire”.Remplir le champs correspondant avec la valeur de la force.Valider les proprietes.

2.2 Conception du modele du substrat

Nous allons creer notre modele simplifie de substrat en 2 etapes :– Noeud du substrat– Composite ”Substrat”

2.2.1 Noeud du substrat

Nous creons un noeud de rayon 0m (Methode. MRN p.20). Nous fixons le noeud (Methode. FNE p.26)dans l’environnement et lui attribuons une couleur particuliere (orange) (Methode. CCN p.26).

Methode : Fixer un noeud dans l’environnement (FNE)

Editer les proprietes du noeud.Selectionner la case ”fixe”.

Methode : Changer la couleur d’un noeud (CCN)

Editer les proprietes du noeud.Selectionner le bouton ”Couleur”.Selectionner la couleur desiree dans la palette.Valider la couleur.Valider les proprietes du noeud.

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2.2.2 Composite ”substrat”

Nous creons un nouveau composite (Methode. CC p.24) contenant seulement le nouveau noeud cree. Nousnommons (Methode. NC p.24) le composite ”substrat”. Nous affectons au composite la meme couleur (Me-thode. CCN p.26) que celle attribuee au noeud dont il est compose (orange). Un substrat est consommepar la cellule. On souhaite donc lui attribuer une duree de vie. Nous lui attribuons une duree de demi-viede 10s (Methode. ADDV p.27). La ”demi-vie” correspond au temps moyen de vie d’un composite (tempsau bout duquel la moitie d’une population meurt).

Methode : Appliquer une duree de demi-vie (Cette proprietes n’est accessible que dans l’es-pace d’experimentation) (ADDV)

Selectionner l’espace d’experimentation (Fig. 2.21).

Fig. 2.21 – Selectionner l’espace d’experimentation

Selectionner le composite desire dans la liste des modeles existants.

Chercher l’onglet ”Parametres” a l’aide des fleches a droite de l’onglet ”Transformations”.

Selectionner l’onglet ”Parametres”.

Cocher la case ”demi-vie”.

Affecter une valeur de ”demi-vie” (Fig. 2.22).

Fig. 2.22 – Appliquer une demie vie a un composite

Cliquer sur ”OK” pour appliquer.

27

2.3 Simulation

Nous etions jusqu’alors dans l’espace de ”Conception” pour creer nos modeles numeriques de systemebiologique. Nous voulons maintenant faire vivre nos composites. Pour cela nous nous placons dans l’espacede ”Simulation” (Methode. SET p.14). Nous ajoutons une instance (Methode. AICES p.28) de cellule etune instance de substrat dans l’environnement. Lancer la simulation (Methode. CS p.28).

Methode : Ajout d’une instance de composites dans l’environnement de simulation (AICES)

Selectionner le bouton ”Composite” dans l’espace ”Ajout”.

Selectionner le type de composite a ajouter (Fig. 2.23).

Cliquer dans l’espace de simulation.

Fig. 2.23 – Ajouter un composite

Methode : Commander la simulation (CS)

Utiliser la barre de commande de la simulation (Fig. 2.24).– Lancer la simulation : Cliquer sur ”>”.– Mettre la simulation en pause : Cliquer sur ”| |”.– Arreter et re-initialiser la simulation : Cliquer sur ”0”.– Definir l’etat courant comme l’etat initial : Cliquer sur ”V”.– Adapter le pas de temps de simulation de facon fine : Utiliser le curseur.

Fig. 2.24 – Barre de commande de simulation

28

Chapitre 3

Modelisation de l’interaction entre lacellule et le substrat

3.1 Ajout de recepteur au noeud

Nous devons creer des recepteurs sur les noeuds qui vont supporter les interactions. Nous allons ajouterun recepteur (Methode. ARN p.29) de type ”r3” a l’extremite de nos pseudopodes et ajouter un recepteurde type ”r4” au noeud du ”substrat”.

Methode : Ajouter un recepteur a un noeud (ARN)

Editer les proprietes du noeud.

Selectionner le type de recepteur que l’on souhaite ajouter dans la zone ”Recepteurs disponibles”.

Cliquer sur ”>” pour faire passer le type de recepteur dans la zone ”Recepteur places” (Fig. 3.1).

Fig. 3.1 – Ajouter un recepteur a un noeud

29

3.2 Proprietes du lien migratif

Nous creons une interaction (Methode. CEI p.16) entre deux recepteurs ”r3” et ”r4”. Cette interaction peutetre modelisee par un lien ”ressort” qui se cree entre le noeud a l’extremite du pseudopode et le substratlorsqu’un recepteur de type ”r3” est au voisinage d’un recepteur de type ”r4”. Le lien se casse si le recepteurde type ”r3” s’eloigne trop du recepteur ”r4” auquel il etait lie.Nous definissons la distance de connection (Methode. MDC p.30) de ce lien a 2.10−6 m.Nous definissons l’elasticite du lien a 1.10−5 N/m (Methode. PEL p.17), le type de rupture du lien a”Longueur Max” (Methode. MTRL p.30), la distance de rupture (Methode. MDRL p.30) a 2, 1.10−6 m etla couleur a rouge (Fig. 3.2).

Fig. 3.2 – Edition des proprietes du lien migratif

Methode : Modifier la distance de connection (MDC)

Editer les proprietes de l’interaction (Methode. CEI p.16).

Modifier le champs ”Distance de connection” avec la valeur de la distance de connection voulue.

Valider les proprietes.

Methode : Modifier le type de rupture du lien (MTRL)

Editer les proprietes de l’interaction (Methode. CEI p.16).

Selectionner le type de rupture du lien dans le menu deroulant ”Type de rupture du lien”.

Definir la distance de rupture si necessaire (Methode. MDRL p.30).

Valider les proprietes.

Methode : Modifier la distance de rupture du lien (MDRL)

Editer les proprietes de l’interaction (Methode. CEI p.16).

Modifier le champs ”Valeur de rupture” avec la valeur de la distance rupture voulue.

Valider les proprietes.

30

3.3 Creation de recepteurs sur le composite cellule

Nous selectionnons l’espace de ”Conception” (Methode. SET p.14).Nous editons les proprietes de chacun des a l’extremite des pseudopodes (Methode. EPN p.19) et leuraffectons une couleur particuliere (jaune) (Methode. CCN p.26).Nous ajoutons un recepteur (Methode. ARN p.29) de type ”r3”.

3.4 Creation d’un recepteur sur le substrat

Nous editons les proprietes du noeud (Methode. EPN p.19) qui compose le ”substrat” et lui ajoutons unrecepteur (Methode. ARN p.29) de type ”r4”.

3.5 Simulation

Selectionner l’espace de ”Simulation” (Methode. SET p.14).Ajouter un composite de type ”cellule” dans l’environnement (Methode. AICES p.28).Ajouter plusieurs composites de type ”substrats” a proximite des composites sec (Methode. AICES p.28).Lancer la simulation.

Conclusion :Nous pouvons observer les interactions entre le composite ”cellule” et les composites de type ”substrat”qui se materialisent par la creation et la suppression de liens.

31

Chapitre 4

Creation de comportements dehaut-niveau

4.1 Creation d’un comportement de secretion pour les noeudsporteur de recepteurs ”r2” de la cellule

Nous allons creer un comportement pour les noeuds possedant un recepteur de type ”r2” qui consisteraa secreter de facon periodique un composite de type ”substrat”. La creation d’un comportement pour uncomposite se fait en deux etapes, la creation de la fonction Python qui modelisera le comportement puisl’affectation de cette fonction en tant que comportement aux differents composites.

4.1.1 Creation des composites recevant le comportement

Dans SimBioDyn seuls les agents logiques (composites) peuvent se voire attribuer un comportement Py-thon. Nous devons par consequent creer 3 nouveaux composites nomme sec1, sec2 et sec3 a partir dechacun des noeuds possedants un recepteur de type ”r2”.

4.1.2 Creation du comportement de secretion

Creer un nouveau comportement Python (Methode. CCP p.34) nomme ”secreter substrat”.SimBioDyn fournit un ensemble de fonctions par defaut. Ces fonctions sont accessibles par le menu roulanten bas de la fenetre. Nous pouvons avoir une presentation de la fonction en cliquant sur ”Details”.

Ecrire le corps de la fonction :

if MessageLireType ()=="tic" and TesterDemiVie (5)==1:CompositeSecreter("","substrat")

Commentaires :Sur 5 secondes, il y a une chance sur deux que le composite auquel la fonction a ete attribuee secrete uncomposant de type ”substrat”.

Valider la fonction.

33

Methode : Creer un comportement Python (CCP)

Selectionner l’onglet ”Fonction” a droite.

Selectionner ”Nouveau” dans la zone ”Comportement Python” (Fig. 4.1).

Fig. 4.1 – Creer et Editer un comportement python

Ecrire le comportement python dans la fenetre (Fig. 4.2).

Fig. 4.2 – Edition d’un comportement python

Methode : Editer un comportement Python (ECP)

Selectionner l’onglet ”Fonction” a droite.

Selectionner le comportement a editer dans le menu deroulant.

Cliquer sur ”Editer” (Fig. 4.1).

34

Methode : Supprimer un comportement Python (SCP)

Selectionner l’onglet ”Fonction” a droite.Selectionner le comportement a editer dans le menu deroulant.Cliquer sur ”Supprimer” (Fig. 4.1).

4.1.3 Attribution du comportement de secretion

La fonction decrivant le comportement etant creee, nous pouvons maintenant attribuer le comportement”secreter substrat” (Methode. ACC p.35) aux composites sec1, sec2 et sec3.Valider les proprietes.

Methode : Attribuer un comportement a un composite (ACC)

Selectionner l’espace de ”Conception”.Editer les proprietes du composite.Selectionner le bouton ”Comportement”.Selectionner le comportement a attribuer (Fig. 4.3).

Fig. 4.3 – Affecter un comportement a un composite

Cliquer sur le bouton ”Ajouter”.Valider le comportement.

4.2 Simulation

Selectionner l’espace de ”Simulation” (Methode. SET p.14).Ajouter un composite (Methode. AICES p.28) de type ”cellule” dans l’environnement.Lancer la simulation.

Conclusion :Nous pouvons observer que les composites sec1, sec2 et sec3 secretent de facon aleatoire de nouveauxcomposites ”substrat” avec lesquels ils se lient jusqu’a ce que le lien se casse et que le substrat soit detruit.Les composites de type ”substrat” se materialisent par la creation et la suppression de liens.

35

Chapitre 5

Visualisation du deplacement de lacellule

Nous souhaitons voir le trace de la trajectoire du centre de notre composite ”cellule”.

5.1 Creation du composite ”fond” support du tracer de la tra-jectoire

Creer un composite nomme ”fond” a partir d’un noeud unique.

5.1.1 Creation du fichier d’apparence du composite

Creer une image dont le fond est noir et le contour est un lisere rouge pour pouvoir visualiser le contourde l’apparence (Methode. CFA p.37) (Fig. 5.1).

Fig. 5.1 – Fond

Enregistrer l’image creee dans le repertoire de sauvegarde sous le nom ”fond.bmp”.Methode : Creer un fichier d’apparence (CFA)

Creer une image carree dont la dimension est une puissance de 2 pixels (ex : 256x256).

Enregistrer l’image au format ”.bmp” dans le repertoire de travail de la simulation.

37

5.1.2 Association de l’image au composite

Editer les proprietes du composite ”fond” (Methode. EPC p.25). Associer le fichier d’apparence ”fond.bmp”(Methode. AFAC p.38) au composite ”fond”.Valider les proprietes.

Nous voyons apparaıtre le bitmap dans l’espace de simulation (Fig. 5.2).

Fig. 5.2 – Image bitmap associee

Modifier l’apparence (Methode. MAC p.38) du composite ”fond” afin qu’elle prenne la taille de la fe-netre de simulation.

Conclusion :Nous obtenons un fond sur lequel tracer notre trajectoire.Methode : Associer un fichier d’apparence a un composite (AFAC)

Cocher la case ”Image associee .bmp” dans la zone ”Apparence”.Remplir le champ ”Nom” avec le nom du fichier d’apparence avec l’extension ”*.bmp” (24 bits) (Fig. 5.3).

Fig. 5.3 – Association d’un bitmap

Methode : Modifier l’apparence d’un composite (MAC)

Dans l’espace ”Manip. Composite” (Fig. 5.4) :– Selectionner le bouton ”Translation” : deplacer un composite.– Selectionner le bouton ”Rotation” : appliquer une rotation a un composite.– Selectionner le bouton ”Echelle” : agrandir ou retrecir un composite.– Selectionner le bouton ”Compression” : comprimer un composite.

5.1.3 Comportement de tracage de la trajectoire du centre de la cellule

Creer un nouveau composite (Methode. CC p.24) nomme ”centre cellule” a partir du noeud central ducomposite ”cellule”.Creer un comportement (Methode. CCP p.34) nomme ”tracer trajectoire” qui modifiera la couleur d’unpixel de l’apparence du composite ”fond”.Ecrire le corps de la fonction :

38

Fig. 5.4 – Espace Manipulation de composite

if MessageLireType ()=="tic":p = CompositeLirePixelVert("", "fond","node")if p < 255 :

p = p + 1else:

p = 255CompositeEcrirePixelVert("", "fond","node",p)

Commentaires :A chaque tic d’horloge de la simulation, on lit la valeur de la composante verte de l’image associee a”fond” situee sous le noeud ”node” du composite auquel est attribuee la fonction. On incremente la valeurcomposante verte du pixel (La valeur max de la composante est 255). On ecrit la nouvelle valeur calculeedans le fond.

Attribuer le comportement ”tracer trajectoire” au composite ”fond”.

5.2 Simulation

Selectionner l’espace de ”Simulation”.Ajouter un composite de type ”fond” au centre de l’environnement.Ajouter un composite de type ”cellule” dans l’environnement.Lancer la simulation.

Fig. 5.5 – Resultat final

Conclusion :Nous pouvons observer la creation d’une trace verte sur le fond de l’espace de simulation (Fig. 5.5). Cettetrace est la trajectoire du centre de notre composite ”cellule”.

39

Conclusion

Ce tutoriel nous a permis de nous familiariser avec les notions essentielles du logiciel SimBioDyn.Vous etes capable maintenant de creer vos propres modeles de phenomenes biologiques en definissant lesproprietes de l’environnement dans lequel vous souhaitez que votre phenomene ait lieu. Vous etes capablede definir la forme de vos entites, leur structure interne ainsi que leur attributs physique.Vous etes capables de decrire ces interactions dans SimBioDyn.Pour finir vous savez definir et retranscrire sous SimBioDyn des comportements a vos composites.

41

Index

ACCAttribuer un comportement a un composite, 32

ADDVAppliquer une duree de demi-vie (Cette pro-

prietes n’est accessible que dans l’espaced’experimentation), 26

AFACAppliquer une force aleatoire a un composite,

25Associer un fichier d’apparence a un composite,

35AICES

Ajout d’une instance de composites dans l’en-vironnement de simulation, 27

ANAjouter un noeud, 18

ARNAjouter un recepteur a un noeud, 28

CCLChanger la couleur d’un lien, 17

CCNChanger la couleur d’un noeud, 26

CCPCreer un comportement Python, 31

CCCreer un composite, 23

CEICreer et editer une interaction, 16

CFACreer un fichier d’apparence, 34

CLCreer un lien, 19

CSCommander la simulation, 27

ECPEditer un comportement Python, 31

EPCEditer les proprietes d’un composite, 24

EPESEditer les proprietes de l’environnement de si-

mulation, 14EPN

Editer les proprietes d’un noeud, 18FNE

Fixer un noeud dans l’environnement, 25

MACModifier l’apparence d’un composite, 35

MDCModifier la distance de connection, 29

MDRLModifier la distance de rupture du lien, 29

MRNModifier le rayon d’un noeud, 19

MTEModifier la temperature de l’environnement, 13

MTLModele du type de lien, 16

MTRLModifier le type de rupture du lien, 29

MVDEModifier la viscosite dynamique de l’environne-

ment, 14NC

Nommer un composite, 23PEL

Propriete d’elasticite du lien, 17PPL

Impermeabilite d’un lien, 16SCP

Supprimer un comportement Python, 32SC

Supprimer un composite (Pas des objets dontil est compose), 24

SETSelectionner un espace de travail, 13

SISupprimer une interaction, 16

SNSupprimer un noeud, 18

STLSelectionner le type de lien a ajouter, 20

SZSelectionner une Zone, 24

43

Table des figures

1.1 Selectionner l’espace de conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.2 Modification des proprietes de l’environnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.3 Selectionner de l’environnement de travail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.4 Editer l’environnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.5 Editer les proprietes de l’environnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1 Edition des proprietes du lien membranaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.2 Creer et editer une interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.3 Palette de couleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.4 Position des 8 noeuds de la membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.5 Ajouter un noeud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.6 Supprimer un noeud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.7 Editer un noeud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.8 Edition des proprietes d’un noeud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.9 Membrane de la cellule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.10 Selectionner le type de lien a ajouter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.11 Edition des proprietes du lien cytosquelette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.12 Cellule avec membrane et structure rayonnante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.13 Cellule avec membrane, structure rayonnante et cortex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.14 Edition des proprietes du lien pseudopode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.15 Cellule avec membrane, cytosquelette et pseudopodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.16 Creer un nouveau composite cellule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.17 Bouton Selection Zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.18 Supprimer un composite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.19 Editer les proprietes d’un composite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.20 Edition des proprietes d’un composite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.21 Selectionner l’espace d’experimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.22 Appliquer une demie vie a un composite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.23 Ajouter un composite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.24 Barre de commande de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.1 Ajouter un recepteur a un noeud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2 Edition des proprietes du lien migratif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.1 Creer et Editer un comportement python . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.2 Edition d’un comportement python . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.3 Affecter un comportement a un composite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

5.1 Fond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375.2 Image bitmap associee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385.3 Association d’un bitmap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385.4 Espace Manipulation de composite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395.5 Resultat final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

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