Asymptotic of Poisson-Nernst-Planck equations and application to the voltage distribution in cellular micro-domains

par Jérôme Cartailler

Thèse de doctorat en Mathématiques Appliquées

Sous la direction de David Holcman.

Soutenue le 15-11-2017

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale de Sciences mathématiques de Paris Centre (Paris) , en partenariat avec Institut de biologie de l'école normale supérieure (laboratoire) .

Le président du jury était Etienne Sandier.

Le jury était composé de Francesco Salvarani, Didier Smets.

Les rapporteurs étaient Roland Netz, Pierre Sens, Gershon Wolanski.

  • Titre traduit

    Equations de Poisson-Nernst-Planck asymptotiques et application à la distribution de tension dans des mico-domaines cellulaires


  • Résumé

    Dans cette thèse j’étudie l’impact de la géométrie de micro et nano-domaines biologiques sur les propriétés d'électrodiffusion, ceci à l'aide des équations aux dérivées partielles de Poisson-Nernst-Planck. Je considère des domaines non-triviaux ayant une forme cuspide ou elliptique. Mon objectif est de développer des modèles ainsi que des méthodes mathématiques afin d'étudier les caractéristiques électriques de ces nano/micro-domaines, et ainsi mieux comprendre comment les signaux électriques sont modulés à ces échelles. Dans la première partie j’étudie le voltage à l'équilibre pour un électrolyte dans un domaine borné, et ayant un fort excès de charges positives. Je montre que le premier temps de sortie dans une boule chargée dépend de la surface et non du volume. J’étudie ensuite la géométrie composées d'une boule à laquelle est attachée un domaine cuspide. Je construis ensuite une solution asymptotique pour le voltage dans les cas 2D et 3D et je montre qu’ils sont donnés au premier ordre par la même expression. Enfin, j’obtiens la même conclusion en considérant une géométrie formée d'une ellipse, dont je construis une solution asymptotique du voltage en 2D et 3D. La seconde partie porte sur la modélisation de la compartimentalisation électrique des épines dendritiques. A partir de simulations numériques, je mets en évidence le lien entre la polarisation de concentration dans l'épine et sa géométrie. Je compare ensuite mon modèle à des données de microscopie. Je développe une méthode de déconvolution pour extraire la dynamique rapide du voltage à partir des données de microscopie. Enfin j’estime la résistance du cou et montre que celle-ci ne suit pas la loi d'Ohm.


  • Résumé

    In this PhD I study how electro-diffusion within biological micro and nano-domains is affected by their shapes using the Poisson-Nernst-Planck (PNP) partial differential equations. I consider non-trivial shapes such as domains with cusp and ellipses. Our goal is to develop models, as well as mathematical tools, to study the electrical properties of micro and nano-domains, to understand better how electrical neuronal signaling is regulated at those scales. In the first part I estimate the steady-state voltage inside an electrolyte confined in a bounded domain, within which we assume an excess of positive charge. I show the mean first passage time in a charged ball depends on the surface and not on the volume. I further study a geometry composed of a ball with an attached cusp-shaped domain. I construct an asymptotic solution for the voltage in 2D and 3D and I show that to leading order expressions for the voltage in 2D and 3D are identical. Finally, I obtain similar conclusion considering an elliptical-shaped domain for which I construct an asymptotic solution for the voltage in 2D and 3D. In the second part, I model the electrical compartmentalization in dendritic spines. Based on numerical simulations, I show how spines non-cylindrical geometry leads to concentration polarization effects. I then compare my model to experimental data of microscopy imaging. I develop a deconvolution method to recover the fast voltage dynamic from the data. I estimate the neck resistance, and we found that, contrary to Ohm's law, the spine neck resistance can be inversely proportional to its radius.

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