Exploratory and transdisciplinary study by analogy of cell and human movements within equivalent architectures
Etude exploratoire et transdisciplinaire par analogie des mouvements de cellules et d'humains au sein d'architectures équivalentes
Résumé
This transdisciplinary research proposes a synergistic collaboration between two disciplines: biophysics and architecture. It focuses on the observation of interactions between a living being and the spatial environment in which it evolves at two scales: the microscopic scale of an epithelial cell and the macroscopic scale of a human being. Although biophysics and architecture handle apparently distant concepts and inherit radically different tools and methods, they are confronted with similar problems. We propose here to explore the relevance of putting into scientific perspective analogous research protocols within the two disciplines.By placing cells and humans in spaces with controlled geometry and by observing their movements, we hypothesize that it is possible to identify recurrent or invariant phenomena in their spontaneous organizations, that these phenomena can inform us about some of their capacities of movement or perception and finally, that it is possible to spatially qualify the environments in return, i.e. according to the potentials of actions that they offer to the cells or humans. For each living being, the study is made at three scales: the scale of a body in motion, in corridors with folded walls, the scale of the group, in intersections of corridors and the scale of the territory, using urban plans. We study several series of environments by varying their widths, their lengths, the geometry of their angles or their intersections.Concretely, we cultivate keratocyte cells that we place in microenvironments built by UV photopatterning. Our protocol allows us to create environments on large surfaces (mm²) where many cells can spread with a high spatial resolution (µm²). In parallel, on a human scale, we invite participants to move in architectural devices built in a dedicated research space. In both cases, we design the environments using parametric modeling tools and, if necessary, we rely on experimental results published by third parties. We observe cell trajectories using fluorescence microscopy techniques and analyze them with tracking programs (TrackMate, ImageJ). We then replicate this acquisition system and analysis protocol on a human scale with cameras and equipment for participants.Our experiments produce a set of results: in particular, we measure a direction bias in keratocyte cells migration and a movement speed bias in humans walks in corridor geometries with folded walls. Also, in corridor intersections, we identify, beyond phenomena specific to each living being, two common types of movement: a blocking of movements and a stop-and-go phenomenon. Furthermore, the perspective of our research protocols is useful for the improvement of the fabrication of large-scale microenvironments, the development of cell culture variants adapted to the studied spatial configurations, the production of an architectural device for the study of human displacements, and the characterization of spatialities as a function of cellular or human movements.
Cette recherche transdisciplinaire propose une collaboration synergique entre deux disciplines : la biophysique et l’architecture. Elle porte sur l’observation des interactions entre un être vivant et l’environnement spatial dans lequel il évolue à deux échelles conjointement : celle microscopique d’une cellule épithéliale et celle macroscopique d’un être humain. Bien que la biophysique et l’architecture manient des concepts en apparence éloignés et héritent d’outils et méthodes radicalement différents, elles se révèlent confrontées à des problématiques similaires. Nous nous proposons ici d’explorer la pertinence d’une mise en perspective scientifique de protocoles de recherche analogues au sein des deux disciplines.En plaçant les cellules et les humains dans des espaces à la géométrie contrôlée et en observant leurs mouvements, nous faisons l’hypothèse qu’il nous est possible d’identifier des phénomènes récurrents ou invariants dans leurs organisations spontanées, que ces phénomènes peuvent nous renseigner sur certaines de leurs capacités de mouvement ou de perception et enfin, qu’il est possible de qualifier spatialement les environnements en retour, c’est-à-dire en fonction des potentiels d’actions qu’ils offrent aux cellules ou aux humains. Pour chaque être-vivant, l’étude est faite à trois échelles : celle d’un corps en mouvement, dans des couloirs aux parois pliées, celle du groupe, dans des intersections de couloirs et celle du territoire, à l’aide de plans urbains. Nous étudions plusieurs séries d'environnements en faisant varier leurs largeurs, leurs longueurs, la géométrie de leurs angles ou de leurs intersections.Concrètement, nous cultivons des cellules kératocytes que nous plaçons dans des microarchitectures fabriquées par photolithographie aux UV. Notre protocole permet de réaliser des environnements sur de grandes surfaces (mm²) pouvant accueillir de nombreuses cellules avec une résolution spatiale élevée (µm²). Parallèlement, à échelle humaine, nous invitons des participants à se déplacer dans des dispositifs architecturaux construits dans un espace de recherche dédié. Dans les deux cas, nous concevons les environnements à l’aide d’outils de modélisation paramétrique et, le cas échéant, nous nous appuyons sur des résultats d’expériences publiés par des tiers. Nous observons les trajectoires des cellules à l’aide de techniques de microscopie à fluorescence et les analysons avec des programmes de suivi (TrackMate, ImageJ). Nous reproduisons ensuite ce système d’acquisition et ce protocole d’analyse à l’échelle humaine avec des caméras et un équipement pour les participants.Nos expérimentations produisent un ensemble de résultats : nous mesurons notamment un biais de direction de la migration chez les cellules kératocytes et un biais de vitesse du déplacement chez les humains dans les géométries de couloirs aux parois pliées. Également, dans les intersections de couloirs, nous identifions, au-delà de phénomènes propres à chaque être vivant, deux types de mouvement communs, à savoir un blocage des déplacements et un phénomène de stop-and-go. En outre, la mise en perspective de nos protocoles de recherche se révèle utile pour l’amélioration de la fabrication de microenvironnements à grande échelle, le développement de variantes de culture cellulaire adaptées aux configurations spatiales étudiées, la production d’un dispositif architectural pour l’étude de déplacements humains et la caractérisation des spatialités en fonction des mouvements cellulaires ou humains.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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