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1. Reverse engineering of a mechanistic model of gene expression using metastability and temporal dynamics

Author: Ventre, Elias, Institut Camille Jordan (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), École normale supérieure de Lyon (ENS de Lyon), and Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS)
Subjects: metastability, inference, Computational Mathematics, gene regulation network, machine learning, Computational Theory and Mathematics, transcriptional bursting, Genetics, General Medicine, [SDV.BIBS]Life Sciences [q-bio]/Quantitative Methods [q-bio.QM], Molecular Biology, single cell
Abstract: International audience; Differentiation can be modeled at the single cell level as a stochastic process resulting from the dynamical functioning of an underlying Gene Regulatory Network (GRN), driving stem or progenitor cells to one or many differentiated cell types. Metastability seems inherent to differentiation process as a consequence of the limited number of cell types. Moreover, mRNA is known to be generally produced by bursts, which can give rise to highly variable non-Gaussian behavior, making the estimation of a GRN from transcriptional profiles challenging. In this article, we present CARDAMOM (Cell type Analysis from scRna-seq Data achieved from a Mixture MOdel), a new algorithm for inferring a GRN from timestamped scRNA-seq data, which crucially exploits these notions of metastability and transcriptional bursting. We show that such inference can be seen as the successive resolution of as many regression problem as timepoints, after a preliminary clustering of the whole set of cells with regards to their associated bursts frequency. We demonstrate the ability of CARDAMOM to infer a reliable GRN from in silico expression datasets, with good computational speed. To the best of our knowledge, this is the first description of a method which uses the concept of metastability for performing GRN inference.
Published: 2022

2. Improving cancer treatments via dynamical biophysical models

Author: J. Clairambault, M. Kuznetsov, Vitaly Volpert, P. N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences [Moscow] (LPI RAS), Russian Academy of Sciences [Moscow] (RAS), Peoples Friendship University of Russia [RUDN University] (RUDN), Laboratoire Jacques-Louis Lions (LJLL (UMR_7598)), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP), Modelling and Analysis for Medical and Biological Applications (MAMBA), Inria de Paris, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Laboratoire Jacques-Louis Lions (LJLL (UMR_7598)), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Maxim Kuznetsov and Vitaly Volpert were supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation: agreement no. 075-03-2020-223/3 (FSSF-2020-0018)., Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité), Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), and Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS)
Subjects: Computer science, General Physics and Astronomy, Cancer, Mathematical oncology, Models, Theoretical, Medical Oncology, medicine.disease, Antitumor therapy, Mathematical medicine, Intrinsic plasticity, Treatment efficacy, Clinical Practice, Risk analysis (engineering), Artificial Intelligence, Neoplasms, Tumor Microenvironment, medicine, Humans, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], Narrow range, Tumor growth, Optimization Contents, General Agricultural and Biological Sciences, Adverse effect
Abstract: International audience; Despite significant advances in oncological research, cancer nowadays remains one of the main causes of mortality and morbidity worldwide. New treatment techniques, as a rule, have limited efficacy, target only a narrow range of oncological diseases, and have limited availability to the general public due their high cost. An important goal in oncology is thus the modification of the types of antitumor therapy and their combinations, that are already introduced into clinical practice, with the goal of increasing the overall treatment efficacy. One option to achieve this goal is optimization of the schedules of drugs administration or performing other medical actions. Several factors complicate such tasks: the adverse effects of treatments on healthy cell populations, which must be kept tolerable; the emergence of drug resistance due to the intrinsic plasticity of heterogeneous cancer cell populations; the interplay between different types of therapies administered simultaneously. Mathematical modeling, in which a tumor and its microenvironment are considered as a single complex system, can address this complexity and can indicate potentially effective protocols, that would require experimental verification. In this review, we consider classical methods, current trends and future prospects in the field of mathematical modeling of tumor growth and treatment. In particular, methods of treatment optimization are discussed with several examples of specific problems related to different types of treatment.
Published: 2021

3. Neuron Scale Modeling of Prion Production with the Unfolded Protein Response

Author: Mostafa Adimy, Louis Babin, Laurent Pujo-Menjouet, Inria Lyon, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Institut Camille Jordan (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, and Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ)
Subjects: Modeling and Simulation, [MATH.MATH-DS]Mathematics [math]/Dynamical Systems [math.DS], [SDV.BC.IC]Life Sciences [q-bio]/Cellular Biology/Cell Behavior [q-bio.CB], prion, unfolded protein response, delay differential equation, Hopf bifurcation, prion modeling, neurodegenerative model, Analysis
Abstract: International audience; We develop a mathematical model that describes the concentration dynamics of PrPC (Prion Protein Cellular) and PrPSc (Prion Protein Scrapie) prion proteins at the neuron scale and includes the effect of the unfolded protein response (UPR). We first introduce a single neuron model taking the UPR mechanism into account. We investigate it and propose a stability study among which a bifurcation analysis with respect to three of its parameters. Then, we generalize it to two neurons showing PrPSc proteins interaction. Stability results are given when neurons exhibit identical parameters but interact differently (strong, weak, or no interaction).
Published: 2022

4. Method of Monotone Solutions for Reaction-Diffusion Equations

Author: Vitaly Volpert, Vitali Vougalter, Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Peoples Friendship University of Russia [RUDN University] (RUDN), University of Toronto, Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), and Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL)
Subjects: Statistics and Probability, Degree (graph theory), Function space, Applied Mathematics, General Mathematics, AMS subject classification: 35K57, 010102 general mathematics, 35J61, System of linear equations, 01 natural sciences, 010305 fluids & plasmas, Elliptic operator, Monotone polygon, 0103 physical sciences, Reaction–diffusion system, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], A priori and a posteriori, Applied mathematics, 47H11, 0101 mathematics, Mathematics
Abstract: International audience; Existence of solutions of reaction-diffusion systems of equations in unbounded domains is studied by the Leray-Schauder (LS) method based on the topological degree for elliptic operators in unbounded domains and on a priori estimates of solutions in weighted spaces. We identify some reaction-diffusion systems for which there exist two subclasses of solutions separated in the function space, monotone and nonmonotone solutions. A priori estimates and existence of solutions are obtained for monotone solutions allowing to prove their existence by the LS method. Various applications of this method are given.
Published: 2021

5. Analysis and Numerical Simulations of a Reaction-Diffusion Model with Fixed Active Bodies

Author: Léon Matar Tine, Chang Yang, Harbin Institute of Technology (HIT), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), and Institut Camille Jordan (ICJ)
Subjects: Materials science, [SDV]Life Sciences [q-bio], Applied Mathematics, reaction-diffusion, Interaction model, well-posedness of solutions, Contrast (music), activation-inhibition process, Chemical physics, Alzheimer's disease modeling, Scientific method, Reaction–diffusion system, Molecule, Crank--Nicolson scheme, [MATH]Mathematics [math]
Abstract: International audience; We propose an interaction model for two substances (molecules) of concentrations $f$ and $g$. The substance $f$ is assumed to be involved in the growth process of $g$, and in contrast, the substance $g$ inhibits the production of $f$. Our model is based on a reaction-diffusion system for the interaction of two considered substances (molecules). We analyze its well-posedness and perform a numerical scheme to simulate the behavior of the solutions. As an application, we investigate the role of A$\beta$-oligomers in the early stage of Alzheimer's disease propagation, more precisely for the impact of A$\beta$-oligomers in neuron impairment as studied in [M. Andrade-Restrepo et al., Modeling the spatial propagation of A$\beta$ oligomers in Alzheimer's disease, in CEMRACS 2018 - Numerical and Mathematical Modeling for Biological and Medical Applications: Deterministic, Probabilistic and Statistical Descriptions, Marseille, France, 2018, pp. 1--10].
Published: 2021

6. Radioprotective effects of induced astronaut torpor and advanced propulsion systems during deep space travel

Author: A. Ryan, Tim Squire, Samuel Bernard, Canberra Hospital, The University of Notre Dame [Sydney], School of Aerospace, Mechanical and Mechatronic Engineering (AMME), The University of Sydney, Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), Institut Camille Jordan (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), and Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: Hibernation, 010504 meteorology & atmospheric sciences, Torpor, Health, Toxicology and Mutagenesis, [MATH.MATH-DS]Mathematics [math]/Dynamical Systems [math.DS], Propulsion, Radiation Dosage, 7. Clean energy, 01 natural sciences, Body Temperature, Radiation Protection, Circadian Clocks, 0103 physical sciences, medicine, Humans, Circadian rhythm, 010303 astronomy & astrophysics, 0105 earth and related environmental sciences, Physics, Radiation, Ecology, Bioastronautics, business.industry, Astronomy and Astrophysics, Space Flight, Hypothermia, Agricultural and Biological Sciences (miscellaneous), Biophysics, Astronauts, medicine.symptom, Radiation protection, Interplanetary spaceflight, business
Abstract: Human metabolic suppression is not a new concept, with 1950s scientific literature and movies demonstrating its potential use for deep space travel (Hock, 1960). An artificially induced state of metabolic suppression in the form of torpor would improve the amount of supplies required and therefore lessen weight and fuel required for missions to Mars and beyond (Choukèr et al., 2019). Transfer habitats for human stasis to Mars have been conceived (Bradford et al., 2018). Evidence suggests that animals, when hibernating, demonstrate relative radioprotection compared to their awake state. Experiments have also demonstrated relative radioprotection in conditions of hypothermia as well as during sleep (Bellesi et al., 2016 and Andersen et al., 2009). Circadian rhythm disrupted cells also appear to be more susceptible to radiation damage compared to those that are under a rhythmic control (Dakup et al., 2018). An induced torpor state for astronauts on deep space missions may provide a biological radioprotective state due to a decreased metabolism and hypothermic conditions. A regular enforced circadian rhythm might further limit DNA damage from radiation. The As Low As Reasonably Achievable (A.L.A.R.A.) radiation protection concept defines time, distance and shielding as ways to decrease radiation exposure. Whilst distance cannot be altered in space and shielding either passively or actively may be beneficial, time of exposure may be drastically decreased with improved propulsion systems. Whilst chemical propulsion systems have superior thrust to other systems, they lack high changes in velocity and fuel efficiency which can be achieved with nuclear or electric based propulsion systems. Radiation toxicity could be limited by reduced transit times, combined with the radioprotective effects of enforced circadian rhythms during a state of torpor or hibernation.1. Investigate how the circadian clock and body temperature may contribute to radioprotection during human torpor on deep space missions. 2. Estimate radiation dose received by astronauts during a transit to Mars with varying propulsion systems.We simulated three types of conditions to investigate the potential radioprotective effect of the circadian clock and decreased temperature on cells being exposed to radiation such that may be the case during astronaut torpor. These conditions were: - Circadian clock strength: strong vs weak. - Light exposure: dark-dark vs light-dark cycle - Body temperature: 37C vs hypothermia vs torpor. We estimated transit times for a mission to Mars from Earth utilizing chemical, nuclear and electrical propulsion systems. Transit times were generated using the General Mission Analysis Tool (GMAT) and Matlab. These times were then input into the National Aeronautics and Space Administration (NASA) Online Tool for the Assessment of Radiation In Space (OLTARIS) computer simulator to estimate doses received by an astronaut for the three propulsion methods.Our simulation demonstrated an increase in radioprotection with decreasing temperature. The greatest degree of radioprotection was shown in cells that maintained a strong circadian clock during torpor. This was in contrast to relatively lower radioprotection in cells with a weak clock during normothermia. We were also able to demonstrate that if torpor weakened the circadian clock, a protective effect could be partially restored by an external drive such as lighting schedules to aid entrainment i.e.: Blue light exposure for periods of awake and no light for rest times For the propulsion simulation, estimated transit times from Earth to Mars were 258 days for chemical propulsion with 165.9mSv received, 209 days for nuclear propulsion with 134.4mSv received and 80 days for electrical propulsion with 51.4mSv received.A state of torpor for astronauts on deep space missions may not only improve weight, fuel and storage requirements but also provide a potential biological radiation protection strategy. Moreover, maintaining a controlled circadian rhythm during torpor conditions may aid radioprotection. In the not too distant future, propulsion techniques will be improved to limit transit time and hence decrease radiation dose to astronauts. Limiting exposure time and enhancing physiological radioprotection during transit could provide superior radioprotection benefits compared with active and passive radiation shielding strategies alone.
Published: 2020

7. Analyse de stabilité d'une équation à deux retards et application à la production des plaquettes sanguines

Author: Jacques Bélair, Laurent Pujo-Menjouet, Loïs Boullu, Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Département de Mathématiques et de Statistiques [UdeM- Montréal], Université de Montréal (UdeM), Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), Institut Camille Jordan (ICJ), Université Claude Bernard Lyon 1 - Faculté des sciences (UCBL FS), Université de Lyon-Université de Lyon, Région Rhône-Alpes (Explo'RA Doc), France Canada Research Fund, NSERC, MITACS, ANR-10-LABX-0070,MILYON,Community of mathematics and fundamental computer science in Lyon(2010), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Claude Bernard Lyon 1 - Faculté des sciences et technologies (UCBL FST), and LABEX MILYON (ANR-10-LABX-0070) of Universiyé de Lyon, within the program 'Investissements d’Avenir' (ANR-11-IDEX-0007) operated by the French National Research Agency (ANR)
Subjects: Platelets, Differential equation, [MATH.MATH-DS]Mathematics [math]/Dynamical Systems [math.DS], Population, centre manifold analysis, Space (mathematics), Stability (probability), two delays, Combinatorics, 03 medical and health sciences, symbols.namesake, 0302 clinical medicine, Discrete Mathematics and Combinatorics, education, Bifurcation, 030304 developmental biology, Physics, Hopf bifurcation, 0303 health sciences, education.field_of_study, Applied Mathematics, Torus, stability, D-decomposition, 030220 oncology & carcinogenesis, oscillations, symbols, Production (computer science), Analysis
Abstract: International audience; We analyze the stability of a differential equation with two delays originating from a model for a population divided into two subpopulations, immature and mature, and we apply this analysis to a model for platelet production. The dynamics of mature individuals is described by the following nonlinear differential equation with two delays: x'(t) = −γx(t) + g(x(t − τ1)) − g(x(t − τ1 − τ2))e(−γ τ2). The method of D-decomposition is used to compute the stability regions for a given equilibrium. The centre manifold theory is used to investigate the steady-state bifurcation and the Hopf bifurcation. Similarly, analysis of the centre manifold associated with a double bifurcation is used to identify a set of parameters such that the solution is a torus in the pseudo-phase space. Finally, the results of the local stability analysis are used to study the impact of an increase of the death rate γ or of a decrease of the survival time τ2 of platelets on the onset of oscillations. We show that the stability is lost through a small decrease of survival time (from 8.4 to 7 days), or through an important increase of the death rate (from 0.05 to 0.625 1/day).; Nous analysons la stabilité d’une équation différentielle à deux retards issue de la dynamique de populations structurées en deux catégories, immatures et matures, puis nous appliquons cette analyse à un modèle pour la production des plaquettes. La dynamique du nombre d’individus matures est alors décrite par une équation à deux retards non-linéaire de la forme x'(t) = −γx(t) + g(x(t − τ1)) − g(x(t − τ1 − τ2))e(−γ τ2) . La méthode de la D-décomposition est utilisée pour procéder numériquement à une exploration exhaustive des configurations que peut prendre la région de stabilité dans les plans (A,B) et (τ,B). L’analyse de la variété centre est utilisée pour étudier la bifurcation "steady-state" et les bifurcations de Hopf. De manière similaire, l'analyse de la variété centre associée aux doubles bifurcations permet d'identifier un jeu de paramètres auquel correspond une solution prenant la forme d’un tore dans l’espace de pseudo-phase. Enfin, les résultats de l’analyse de stabilité locale est utilisé pour étudier l’impact d’une augmentation du taux de mort des plaquettes γ ainsi que celui d’une diminution du temps de survie des plaquettes τ2 sur l’apparition d’oscillations. Nous montrons alors que la stabilité peut être perdue à la suite d’une diminution légère du temps de survie (de 8.4 jours à 7 jours), ou par une forte augmentation du taux de mort (de 0.05 à 0.6/jour).
Published: 2020

8. Dynamics of solutions of a reaction-diffusion equation with delayed inhibition

Author: Mohammed Nor Frioui, N. Bessonov, Vitaly Volpert, Tarik Mohammed Touaoula, Université Aboubekr Belkaid - University of Belkaïd Abou Bekr [Tlemcen], Institute for Problems of Mechanical Engineering (IPME RAS), Russian Academy of Sciences [Moscow] (RAS), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), and Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS)
Subjects: Physics, Applied Mathematics, 010102 general mathematics, Dynamics (mechanics), Pattern formation, Spatiotemporal pattern, Space (mathematics), 01 natural sciences, Stability (probability), 010305 fluids & plasmas, Term (time), Homogeneous, 0103 physical sciences, Reaction–diffusion system, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], Discrete Mathematics and Combinatorics, Statistical physics, 0101 mathematics, Analysis
Abstract: International audience; Reaction-diffusion equation with a logistic production term and a delayed inhibition term is studied. Global stability of the homogeneous in space equilibrium is proved under some conditions on the delay term. In the case where these conditions are not satisfied, this solution can become unstable resulting in the emergence of spatiotemporal pattern formation studied in numerical simulations.
Published: 2020

9. Reconstruction of trajectories-Challenge AMIES

Author: Dariva, Kyriaki, Jaramillo, Pedro, Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Modélisation Mathématique pour l'Oncologie (MONC), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Bergonié [Bordeaux], UNICANCER-UNICANCER-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Univ Lyon, Université Claude-Bernard Lyon 1, Université de bordeaux, Dariva, Kyriaki, Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Bergonié [Bordeaux]
Subjects: [MATH] Mathematics [math], [MATH]Mathematics [math]
Abstract: Given a set of successive images which contain the positions of people in a certain space and at a certain time, we propose a method to reconstruct their trajectories. A surveillance 3D-camera takes a photo of the place every a certain fraction of the second and provides us with the data, after processing each picture and retrieving the position of the people in its view. We connect points from successive images by considering that people's position evolves with optimal transport. Our approach is mainly implemented by using a linear programming function, already available in Python. As the camera produces imperfect measurements, we define a framework to classify data and filter out noise. After presenting the problem of optimal transport of finite points as a linear programming problem, we provide some details of our modeling procedure. Finally, we show some of the results obtained with our method while we also suggest ideas to further improve our work.
Published: 2021

10. Modeling the Relationship Between Antibody-Dependent Enhancement and Disease Severity in Secondary Dengue Infection

Author: Lourdes Esteva, Claudia Pio Ferreira, Clémence Métayer, Felipe de Almeida Camargo, Mostafa Adimy, Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho = São Paulo State University (UNESP), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Departamento de Matematicas [Mexico], Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan (ICJ), Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), Universidad Nacional Autónoma de México = National Autonomous University of Mexico (UNAM), Université Lyon 1, UNAM, and Universidade Estadual Paulista (UNESP)
Subjects: 0301 basic medicine, Local and global stability analyses for ordinary differential system, Neutralizing and enhancing antibodies, General Mathematics, Secondary infection, Immunology, [MATH.MATH-DS]Mathematics [math]/Dynamical Systems [math.DS], Dengue virus, Biology, medicine.disease_cause, Antibodies, Viral, Severity of Illness Index, General Biochemistry, Genetics and Molecular Biology, Virus, Hemorrhagic disorder, Dengue fever, Dengue, 03 medical and health sciences, 0302 clinical medicine, medicine, Humans, Antibody-dependent enhancement, Original antigenic sin, Dengue shock syndrome (DSS), General Environmental Science, Pharmacology, Coinfection, General Neuroscience, Dengue hemorrhagic fever (DHF), Mathematical Concepts, Dengue Virus, medicine.disease, DENV1-4, Virology, Antibodies, Neutralizing, Antibody-Dependent Enhancement, 3. Good health, 030104 developmental biology, Computational Theory and Mathematics, 030220 oncology & carcinogenesis, Mathematical modeling, General Agricultural and Biological Sciences, Basic reproduction number
Abstract: Made available in DSpace on 2022-04-28T19:40:44Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2021-08-01 Sequential infections with different dengue serotypes (DENV-1, 4) significantly increase the risk of a severe disease outcome (fever, shock, and hemorrhagic disorders). Two hypotheses have been proposed to explain the severity of the disease: (1) antibody-dependent enhancement (ADE) and (2) original T cell antigenic sin. In this work, we explored the first hypothesis through mathematical modeling. The proposed model reproduces the dynamic of susceptible and infected target cells and dengue virus in scenarios of infection-neutralizing and infection-enhancing antibody competition induced by two distinct serotypes of the dengue virus during secondary infection. The enhancement and neutralization functions are derived from basic concepts of chemical reactions and used to mimic binding to the virus by two distinct populations of antibodies. The analytic study of the model showed the existence of two equilibriums: a disease-free equilibrium and an endemic one. Using the concept of the basic reproduction numberR, we performed the asymptotic stability analysis for the two equilibriums. To measure the severity of the disease, we considered the maximum value of infected cells as well as the time when this maximum is reached. We observed that it corresponds to the time when the maximum enhancing activity for the infection occurs. This critical time was calculated from the model to be a few days after the occurrence of the infection, which corresponds to what is observed in the literature. Finally, using as output R, we were able to rank the contribution of each parameter of the model. In particular, we highlighted that the cross-reactive antibody responses may be responsible for the disease enhancement during secondary heterologous dengue infection. Inria Institut Camille Jordan Université de Lyon Université Lyon 1, 43 Bd. du 11 novembre 1918 Departamento de Matemáticas Facultad de Ciencias UNAM Institute of Biosciences São Paulo State University (UNESP) Institute of Biosciences São Paulo State University (UNESP)
Published: 2021

11. Accuracy of Mixed Precision Computation in Large Coupled Biological Systems

Author: Al Khoury, Aquilina, Bernard, Samuel, Rouzaud-Cornabas, Jonathan, Université de Lyon, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Artificial Evolution and Computational Biology (BEAGLE), Laboratoire d'InfoRmatique en Image et Systèmes d'information (LIRIS), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université Lumière - Lyon 2 (UL2)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Université Lumière - Lyon 2 (UL2)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive - UMR 5558 (LBBE), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Lyon-Université Lumière - Lyon 2 (UL2), Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Lumière - Lyon 2 (UL2)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Lumière - Lyon 2 (UL2)-École Centrale de Lyon (ECL), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), and Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS)
Subjects: Mixed Precision, ODEs, Biological Systems, [MATH]Mathematics [math]
Abstract: Thanks to the advancement of knowledge and technologies, we want to simulate larger and larger biological systems. But classical methods must be rethink to be able to cope with such system. At the same time, mainly riding the trends of AI/ML, a novel approach is to use methods mixing different arithmetic precision. Indeed, such method improves arithmetic intensity while saving memory, energy and computational time. However, controlling the errors induced by the mix of different precision remains the major issue. In this paper, we are present a new method allowing the use of mixed precision to solve ordinary differential systems of equations. We evaluate our method against large biological systems. We show that with such systems, we can reduce the arithmetic precision of a part of the biological model will retain the same numerical precision.
Published: 2021

12. A multiscale model of platelet-fibrin thrombus growth in the flow

Author: Anass Bouchnita, Vitaly Volpert, Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, and Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ)
Subjects: 0303 health sciences, General Computer Science, Chemistry, General Engineering, Blood flow, Immersed boundary method, medicine.disease, 01 natural sciences, Thrombosis, 010305 fluids & plasmas, 03 medical and health sciences, Flow conditions, medicine.anatomical_structure, Flow (mathematics), 0103 physical sciences, cardiovascular system, medicine, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], Platelet, cardiovascular diseases, Thrombus, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS, 030304 developmental biology, Biomedical engineering, Blood vessel
Abstract: Thrombosis is a life-threatening clinical condition characterized by the obstruction of blood flow in a vessel due to the formation of a large thrombus. The pathogenesis of thrombosis is complex because the type of formed clots depends on the location and function of the corresponding blood vessel. To explore this phenomenon, we develop a novel multiscale model of platelet-fibrin thrombus growth in the flow. In this model, the regulatory network of the coagulation cascade is described by partial differential equations. Blood flow is introduced using the Navier–Stokes equations and the clot is treated as a porous medium. Platelets are represented as discrete spheres that migrate with the flow. Each platelet can attach to the thrombus, aggregate, become activated, express proteins on its surface, detach, and/or become non-adhesive. The interaction of platelets with blood flow is captured using the Immersed Boundary Method (IBM). We use the model to investigate the role of flow conditions in shaping the dynamics of venous and arterial thrombi. We describe the formation of red and white thrombi under venous and arterial flow respectively and highlight the main characteristics of each type. We identify the different regimes of normal and pathological thrombus formation depending on flow conditions.
Published: 2019

13. Stochastic Gene Expression with a Multistate Promoter: Breaking Down Exact Distributions

Author: Ulysse Herbach, Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire de biologie et modélisation de la cellule (LBMC UMR 5239), École normale supérieure de Lyon (ENS de Lyon)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan (ICJ), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Lyon-Université de Lyon-École normale supérieure - Lyon (ENS Lyon)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École normale supérieure - Lyon (ENS Lyon)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), and Herbach, Ulysse
Subjects: [MATH.MATH-PR] Mathematics [math]/Probability [math.PR], Stochastic modelling, Molecular Networks (q-bio.MN), Applied Mathematics, Probability (math.PR), [SDV.BBM.MN]Life Sciences [q-bio]/Biochemistry, Molecular Biology/Molecular Networks [q-bio.MN], Promoter, Computational biology, Biology, 01 natural sciences, [MATH.MATH-PR]Mathematics [math]/Probability [math.PR], 010101 applied mathematics, [SDV.BBM.MN] Life Sciences [q-bio]/Biochemistry, Molecular Biology/Molecular Networks [q-bio.MN], Transcription (biology), FOS: Biological sciences, Gene expression, FOS: Mathematics, Quantitative Biology - Molecular Networks, 0101 mathematics, Mathematics - Probability
Abstract: International audience; We consider a stochastic model of gene expression in which transcription depends on a multistate promoter, including the famous two-state model and refractory promoters as special cases, and focus on deriving the exact stationary distribution. Building upon several successful approaches, we present a more unified viewpoint that enables us to simplify and generalize existing results. In particular, the original jump process is deeply related to a multivariate piecewise-deterministic Markov process that may also be of interest beyond the biological field. In a very particular case of promoter configuration, this underlying process is shown to have a simple Dirichlet stationary distribution. In the general case, the corresponding marginal distributions extend the well-known class of Beta products, involving complex parameters that directly relate to spectral properties of the promoter transition matrix. Finally, we illustrate these results with biologically plausible examples.
Published: 2019

14. Existence of pulses for a reaction-diffusion system of blood coagulation in flow

Author: Nicolas Ratto, Vitaly Volpert, Martine Marion, Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), Institut Camille Jordan (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Lyon, Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), and Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: Materials science, Platelet Aggregation, Physics::Medical Physics, 02 engineering and technology, reaction-diffusion system, Models, Biological, Leray-Schauder method, Quantitative Biology::Cell Behavior, 0502 economics and business, Reaction–diffusion system, 0202 electrical engineering, electronic engineering, information engineering, Traveling wave, Humans, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], Coagulation (water treatment), Blood Coagulation, blood coagulation in flow, Hemostasis, Applied Mathematics, 05 social sciences, Clot growth, Mathematical Concepts, General Medicine, Mechanics, Limiting, existence of pulses, Blood Coagulation Factors, Computational Mathematics, Flow (mathematics), Modeling and Simulation, 020201 artificial intelligence & image processing, General Agricultural and Biological Sciences, Value (mathematics), Blood Flow Velocity, 050203 business & management
Abstract: International audience; A reaction-diffusion system describing blood coagulation in flow is studied. We prove the existence of stationary solutions provided that the speed of the travelling wave problem for the limiting value of the velocity is positive. The implications to the problem of clot growth are discussed.
Published: 2019

15. Global Attractor in Alpha-Norm for Some Partial Functional Differential Equations of Neutral and Retarded Type

Author: Mostafa Adimy, Khalil Ezzinbi, Catherine Marquet, Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan (ICJ), Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), Faculté des Sciences Semlalia [Marrakech], Université Cadi Ayyad [Marrakech] (UCA), Laboratoire de Mathématiques et de leurs Applications [Pau] (LMAP), Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Faculté des Sciences SEMLALIA (FSSM), and Laboratoire de Mathématiques Appliquées, CNRS UMR 5142, Université de Pau et des Pays de l’Adour
Subjects: Pure mathematics, Smoothness (probability theory), Differential equation, Semigroup, 010102 general mathematics, [MATH.MATH-DS]Mathematics [math]/Dynamical Systems [math.DS], Physical system, Type (model theory), 01 natural sciences, 010101 applied mathematics, Norm (mathematics), Attractor, Dissipative system, 0101 mathematics, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS, Mathematics
Abstract: International audience; The aim of this work is to study the existence of a global attractor for some partial neutral functional differential equations; the convergence of all the solutions to the attractor is given in terms of the alpha-norm which is more important than the classical norm. Firstly, we show some interesting properties on the semigroup solution like the asymptotic smoothness. Secondly, when the semigroup is compact dissipative, then we show the existence of the global attractor. For illustration, an application is provided for some model arising in physical systems.
Published: 2021

16. Epidemic Progression and Vaccination in a Heterogeneous Population. Application to the Covid-19 epidemic

Author: Malay Banerjee, Swarnali Sharma, Vitaly Volpert, Institut Camille Jordan (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Peoples Friendship University of Russia [RUDN University] (RUDN), Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), Indian Institute of Technology Kanpur (IIT Kanpur), Vijaygarh Jyotish Ray College [Kolkata], Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), and Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL)
Subjects: 0106 biological sciences, medicine.medical_specialty, 2019-20 coronavirus outbreak, Coronavirus disease 2019 (COVID-19), Population, Biology, 010603 evolutionary biology, 01 natural sciences, Article, 03 medical and health sciences, 0302 clinical medicine, [SDV.MHEP.MI]Life Sciences [q-bio]/Human health and pathology/Infectious diseases, Epidemiology, medicine, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], Heterogeneous population, 030212 general & internal medicine, education, Ecology, Evolution, Behavior and Systematics, 030304 developmental biology, 0303 health sciences, education.field_of_study, [SDV.MHEP.ME]Life Sciences [q-bio]/Human health and pathology/Emerging diseases, 010604 marine biology & hydrobiology, Ecological Modeling, Vaccination, 3. Good health, Final size, [SDV.SPEE]Life Sciences [q-bio]/Santé publique et épidémiologie, Duration of epidemic, [SDV.IMM.VAC]Life Sciences [q-bio]/Immunology/Vaccinology, Covid-19, Basic reproduction number, Disease transmission, Demography
Abstract: The paper is devoted to a compartmental epidemiological model of infection progression in a heterogeneous population which consists of two groups with high disease transmission (HT) and low disease transmission (LT) potentials. Final size and duration of epidemic, the total and current maximal number of infected individuals are estimated depending on the structure of the population. It is shown that with the same basic reproduction numberR0in the beginning of epidemic, its further progression depends on the ratio between the two groups. Therefore, fitting the data in the beginning of epidemic and the determination ofR0are not sufficient to predict its long time behaviour. Available data on the Covid-19 epidemic allows the estimation of the proportion of the HT and LT groups. Estimated structure of the population is used for the investigation of the influence of vaccination on further epidemic development. The result of vaccination strongly depends on the proportion of vaccinated individuals between the two groups. Vaccination of the HT group acts to stop the epidemic and essentially decreases the total number of infected individuals at the end of epidemic and the current maximal number of infected individuals while vaccination of the LT group only acts to protect vaccinated individuals from further infection.
Published: 2021

17. Patient-Specific Modelling of Blood Coagulation

Author: Vitaly Volpert, P. Chelle, Dmitry Yu. Nechipurenko, Nicolas Ratto, B. Tardy-Poncet, Anass Bouchnita, Mikhail A. Panteleev, Martine Marion, Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), University of Texas at Austin [Austin], Laboratoire Georges Friedel (LGF-ENSMSE), École des Mines de Saint-Étienne (Mines Saint-Étienne MSE), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Groupe de recherche sur la thrombose (GRT (EA 3065)), Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM), Lomonosov Moscow State University (MSU), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Peoples Friendship University of Russia [RUDN University] (RUDN), Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Groupe de recherche sur la thrombose, pharmacologie des antithrombotiques et situations à risque (GRT), Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), and Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS)
Subjects: Patient-Specific Modeling, 0301 basic medicine, General Mathematics, Immunology, Models, Biological, Thrombin generation, General Biochemistry, Genetics and Molecular Biology, Reaction–diffusion waves, 03 medical and health sciences, 0302 clinical medicine, Humans, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], Medicine, Coagulation (water treatment), Coagulation Disorder, General Environmental Science, Pharmacology, Reaction-diffusion waves, Medical treatment, Kinetic model, business.industry, General Neuroscience, Blood flow, Blood Coagulation Disorders, Blood coagulation, Patient specific, 3. Good health, Treatment, Clinical Practice, 030104 developmental biology, Computational Theory and Mathematics, 030220 oncology & carcinogenesis, Thrombin generation curves, Original Article, General Agricultural and Biological Sciences, business, Biomedical engineering
Abstract: International audience; Blood coagulation represents one of the most studied processes in biomedical modelling. However, clinical applications of this modelling remain limited because of the complexity of this process and because of large inter-patient variation of the concentrations of blood factors, kinetic constants and physiological conditions. Determination of some of these patients-specific parameters is experimentally possible, but it would be related to excessive time and material costs impossible in clinical practice. We propose in this work a methodological approach to patient-specific modelling of blood coagulation. It begins with conventional thrombin generation tests allowing the determination of parameters of a reduced kinetic model. Next, this model is used to study spatial distributions of blood factors and blood coagulation in flow, and to evaluate the results of medical treatment of blood coagulation disorders.
Published: 2021

18. A reaction–diffusion model of spatial propagation of A$$\beta $$ oligomers in early stage Alzheimer’s disease

Author: Martín Andrade-Restrepo, Laurent Pujo-Menjouet, Léon Matar Tine, Paul Lemarre, Ionel Sorin Ciuperca, Institut Jacques Monod (IJM (UMR_7592)), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité), Universidad del Rosario [Bogota], Institut Camille Jordan (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), and Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS)
Subjects: Physics, 0303 health sciences, Applied Mathematics, [MATH.MATH-DS]Mathematics [math]/Dynamical Systems [math.DS], Alzheimer's Disease, Partial differential equations, 01 natural sciences, Agricultural and Biological Sciences (miscellaneous), 010305 fluids & plasmas, 03 medical and health sciences, Modeling and Simulation, 0103 physical sciences, Reaction–diffusion system, Reaction-diffusion, Diffusion (business), Biological system, Beta (finance), 030304 developmental biology
Abstract: The misconformation and aggregation of the protein Amyloid-Beta (A $$\beta $$ ) is a key event in the propagation of Alzheimer’s Disease (AD). Different types of assemblies are identified, with long fibrils and plaques deposing during the late stages of AD. In the earlier stages, the disease spread is driven by the formation and the spatial propagation of small amorphous assemblies called oligomers. We propose a model dedicated to studying those early stages, in the vicinity of a few neurons and after a polymer seed has been formed. We build a reaction–diffusion model, with a Becker–Doring-like system that includes fragmentation and size-dependent diffusion. We hereby establish the theoretical framework necessary for the proper use of this model, by proving the existence of solutions using a fixed point method.
Published: 2021

19. Vaccination in a two-group epidemic model

Author: Malay Banerjee, Vitaly Volpert, Sebastian Aniţa, Samiran Ghosh, Alexandru Ioan Cuza University of Iași [Romania], Indian Institute of Technology Kanpur (IIT Kanpur), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Peoples Friendship University of Russia [RUDN University] (RUDN), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan (ICJ), and Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS)
Subjects: 2019-20 coronavirus outbreak, Coronavirus disease 2019 (COVID-19), Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), Population, 02 engineering and technology, 01 natural sciences, 0502 economics and business, 0202 electrical engineering, electronic engineering, information engineering, Medicine, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], 0101 mathematics, education, Mathematics, education.field_of_study, Group (mathematics), business.industry, Applied Mathematics, 010102 general mathematics, 05 social sciences, 3. Good health, 010101 applied mathematics, Vaccination, 020201 artificial intelligence & image processing, Epidemic model, business, Basic reproduction number, Disease transmission, 050203 business & management, Demography
Abstract: Epidemic progression depends on the structure of the population. We study a two-group epidemic model with the difference between the groups determined by the rate of disease transmission. The basic reproduction number, the maximal and the total number of infected individuals are characterized by the proportion between the groups. We consider different vaccination strategies and determine the outcome of the vaccination campaign depending on the distribution of vaccinated individuals between the groups.
Published: 2021

20. Nonlocal Reaction–Diffusion Models of Heterogeneous Wealth Distribution

Author: Vitaly Volpert, Sergei Petrovskii, Malay Banerjee, Department of Mathematics and Statistics [Kanpur], Indian Institute of Technology Kanpur (IIT Kanpur), University of Leicester, Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Peoples Friendship University of Russia [RUDN University] (RUDN), Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), and Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS)
Subjects: Work (thermodynamics), Banerjee, General Mathematics, 0211 other engineering and technologies, Distribution (economics), 02 engineering and technology, 01 natural sciences, Human population dynamics, M, human population dynamics, nonlocal consumption of resources, Reaction–diffusion system, Computer Science (miscellaneous), Econometrics, Economics, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], Wealth distribution, wealth distribution, 0101 mathematics, Engineering (miscellaneous), ComputingMilieux_MISCELLANEOUS, spatial patterns, Consumption (economics), business.industry, S.V, lcsh:Mathematics, 010102 general mathematics, Petrovskii, 021107 urban & regional planning, lcsh:QA1-939, 8. Economic growth, V. Nonlocal Reaction-Diffusion Models of Heterogeneous Wealth Distribution human population dynamics, Spatial ecology, Redistribution of income and wealth, Volpert, business
Abstract: Dynamics of human populations can be affected by various socio-economic factors through their influence on the natality and mortality rates, and on the migration intensity and directions. In this work we study an economic–demographic model which takes into account the dependence of the wealth production rate on the available resources. In the case of nonlocal consumption of resources, the homogeneous-in-space wealth–population distribution is replaced by a periodic-in-space distribution for which the total wealth increases. For the global consumption of resources, if the wealth redistribution is small enough, then the homogeneous distribution is replaced by a heterogeneous one with a single wealth accumulation center. Thus, economic and demographic characteristics of nonlocal and global economies can be quite different in comparison with the local economy.
Published: 2021

21. Influence of the age structure on the stability in a tumor-immune model for chronic myeloid leukemia

Author: Dariva, Kyriaki, Lepoutre, Thomas, Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), Institut Camille Jordan (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Dariva, Kyriaki
Subjects: [MATH] Mathematics [math], [MATH]Mathematics [math]
Abstract: We propose and analyze a system of partial differential equations (PDEs) for chronic myeloid leukemia (CML), generalizing the ordinary differential equations' system (ODE) proposed in [3, 2]. This model describes the proliferation and differentiation of leukemic cells in the bone marrow and the interactions of leukemic and immune cells. We consider that the differentiation of cells can be described by a continuous variable which we use to structure our system. The model is based on a non-monotonic immune response. At low levels, immune response increases with the tumor load whereas for high levels, tumor is suppressing the effect of immune system (immunosuppression). We analyze the stability of the steady states of the model and compare it to the case of [2] where maturity was described as a discrete state. In particular, a steady state describing remission induced by a control due to the immune system is shown to be unstable in certain situations for the PDE model , whereas in [2] it was systematically stable.
Published: 2021

22. Lessons learnt from the use of compartmental models over the COVID-19 induced lockdown in France

Author: Alexis Bienvenüe, Stéphane Derrode, Anne Eyraud-Loisel, Simon Pageaud, Pascal Roy, Romain Gauchon, Jean-Pierre Bertoglio, Jean Iwaz, Christophe Rigotti, Nicolas Ponthus, Stéphane Loisel, Pierre-Olivier Goffard, Vitaly Volpert, Catherine Pothier, Laboratoire de Sciences Actuarielle et Financière (SAF), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon, Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes (LTDS), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-École Nationale des Travaux Publics de l'État (ENTPE)-Ecole Nationale d'Ingénieurs de Saint Etienne-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Extraction de Caractéristiques et Identification (imagine), Laboratoire d'InfoRmatique en Image et Systèmes d'information (LIRIS), Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université Lumière - Lyon 2 (UL2)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Université Lumière - Lyon 2 (UL2), Data Mining and Machine Learning (DM2L), Artificial Evolution and Computational Biology (BEAGLE), Université de Lyon-Université Lumière - Lyon 2 (UL2)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive - UMR 5558 (LBBE), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire de Mecanique des Fluides et d'Acoustique (LMFA), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive - UMR 5558 (LBBE), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Hospices Civils de Lyon (HCL), Université Lyon 1, Ecole Centrale de Lyon, INSA Lyon, Rigotti, Christophe, Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Laboratoire d'InfoRmatique en Image et Systèmes d'information (LIRIS), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Lumière - Lyon 2 (UL2)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Lumière - Lyon 2 (UL2)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Université de Lyon-Université de Lyon-École Nationale des Travaux Publics de l'État (ENTPE)-Ecole Nationale d'Ingénieurs de Saint Etienne (ENISE)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), and Institut Camille Jordan (ICJ)
Subjects: infection dynamics, 0303 health sciences, education.field_of_study, Coronavirus disease 2019 (COVID-19), Calibration (statistics), prevalence, Population, Epidemic dynamics, COVID-19, Common framework, 3. Good health, 03 medical and health sciences, 0302 clinical medicine, Geography, [SDV.SPEE] Life Sciences [q-bio]/Santé publique et épidémiologie, Statistics, Prevalence studies, [SDV.SPEE]Life Sciences [q-bio]/Santé publique et épidémiologie, Infection dynamics, 030212 general & internal medicine, Scale (map), education, compartmental model, 030304 developmental biology
Abstract: BackgroundCompartmental models help making public health decisions. They were used during the COVID-19 outbreak to estimate the reproduction numbers and predict the number of hospital beds required. This study examined the ability of closely related compartmental models to reflect equivalent epidemic dynamics.MethodsThe study considered three independently designed compartmental models that described the COVID-19 outbreak in France. Model compartments and parameters were expressed in a common framework and models were calibrated using the same hospitalization data from two official public databases. The calibration procedure was repeated over three different periods to compare model abilities to: i) fit over the whole lockdown; ii) predict the course of the epidemic during the lockdown; and, iii) provide profiles to predict hospitalization prevalence after lockdown. The study considered national and regional coverages.ResultsThe three models were all flexible enough to match real hospitalization data during the lockdown, but the numbers of cases in the other compartments differed. The three models failed to predict reliably the number of hospitalizations after the fitting periods at national as at regional scales. At the national scale, an improved calibration led to epidemic course profiles that reflected hospitalization dynamics and reproduction numbers that were coherent with official and literature estimates.ConclusionThis study shows that prevalence data are needed to further refine the calibration and make a selection between still divergent models. This underlines strongly the need for repeated prevalence studies on representative population samples.
Published: 2021

23. Ergodicity of the Fisher infinitesimal model with quadratic selection

Author: Calvez, Vincent, Lepoutre, Thomas, Poyato, David, Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ)
Subjects: Integro-differential equations, Mathematics - Analysis of PDEs, quantitative genetics, Probability (math.PR), FOS: Mathematics, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], nonlinear spectral theory, asymptotic behavior, 35B40, 35P30, 35Q92, 47G20, 92D15, Mathematics - Probability, 35B40, 35P30, 35Q92, 47G20, 92D15, Analysis of PDEs (math.AP)
Abstract: We study the convergence towards a unique equilibrium distribution of the solutions to a time-discrete model with non-overlapping generations arising in quantitative genetics. The model describes the dynamics of a phenotypic distribution with respect to a multi-dimensional trait, which is shaped by selection and Fisher's infinitesimal model of sexual reproduction. We extend some previous works devoted to the time-continuous analogues, that followed a perturbative approach in the regime of weak selection, by exploiting the contractivity of the infinitesimal model operator in the Wasserstein metric. Here, we tackle the case of quadratic selection by a global approach. We establish uniqueness of the equilibrium distribution and exponential convergence of the renormalized profile. Our technique relies on an accurate control of the propagation of information across the large binary trees of ancestors (the pedigree chart), and reveals an ergodicity property, meaning that the shape of the initial datum is quickly forgotten across generations. We combine this information with appropriate estimates for the emergence of Gaussian tails and propagation of quadratic and exponential moments to derive quantitative convergence rates. Our result can be interpreted as a generalization of the Krein-Rutman theorem in a genuinely non-linear, and non-monotone setting., Comment: 45 pages, 9 figures
Published: 2021
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24. Existence and Dynamics of Strains in a Nonlocal Reaction-Diffusion Model of Viral Evolution

Author: Vladimir Popov, Nikolai Bessonov, Gennady Bocharov, Vitaly Volpert, Andreas Meyerhans, Institute of Mechanical Engineering Problems [St. Petersburg] (IPME), Russian Academy of Sciences [Moscow] (RAS), Institute of Numerical Mathematics [Moscou] (INM-RAS), Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA), Peoples Friendship University of Russia [RUDN University] (RUDN), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), The work of the first, second, third, and fifth authors was supported by the RussianScience Foundation through grant 18-11-00171. The work of the fourth and fifth authors was partially supported by the RUDN University Strategic Academic Leadership Program. The work of thesecond author was partially supported by Moscow Center for Fundamental and Applied Mathematics, agreement with the Ministry of Education and Science of the Russian Federation 075-15-2019-1624. The work of the third author was supported by a grant from the Spanish Ministry of Economy, Industry, and Competitiveness and FEDER grant SAF2016-75505-R (AEI/MINEICO/FEDER, UE) and by the Maria de Maeztu Programme for Units of Excellence in R&D (MDM-2014-0370)., Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), and Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS)
Subjects: viruses, genotype, Biology, 01 natural sciences, Virus, immune response, Reaction–diffusion system, Genotype, Host organism, virus infection, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], Genotip, 0101 mathematics, Treatment resistance, Applied Mathematics, Dynamics (mechanics), nonlocal interaction AMS subject classification. 35K57, 3. Good health, Fenotip, 010101 applied mathematics, virus density distribution, Density distribution, Evolutionary biology, Viral evolution, Matemàtica, human activities, Virus -- Evolució, resistance to treatment
Abstract: International audience; In this work, we develop a mathematical framework for predicting and quantifying virus diversity evolution during infection of a host organism. It is specified as a virus density distribution with respect to genotype and time governed by a reaction-diffusion integro-differential equation taking virus mutations, replication, and elimination by immune cells and medical treatment into account. Conditions for the existence of virus strains that correspond to localized density distributions in the space of genotypes are determined. It is shown that common viral evolutionary traits like diversification and extinction are driven by nonlocal interactions via immune responses, target-cell competition, and therapy. This provides us with a mechanistic explanation for clinically relevant properties like immune escape and drug resistance selection, and allows us to link virus genotypes to phenotypes.
Published: 2021

25. Longtime behavior of a second order finite element scheme simulating the kinematic effects in liquid crystal dynamics

Author: Leon Matar Tine, Mouhamadou Samsidy Goudiaby, Ababacar Diagne, Université Assane SECK de Ziguinchor (UASZ), Handelsbanken Capital Markets [Stockholm], Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), and Institut Camille Jordan (ICJ)
Subjects: Sequence, Applied Mathematics, 010102 general mathematics, Mathematical analysis, General Medicine, Kinematics, 01 natural sciences, Finite element method, Critical point (mathematics), 010101 applied mathematics, Flow (mathematics), Liquid crystal, Convergence (routing), 0101 mathematics, [MATH]Mathematics [math], Analysis, Subspace topology, Mathematics
Abstract: We consider an unconditional fully discrete finite element scheme for a nematic liquid crystal flow with different kinematic transport properties. We prove that the scheme converges towards a unique critical point of the elastic energy subject to the finite element subspace, when the number of time steps go to infinity while the time step and mesh size are fixed. A Lojasiewicz type inequality, which is the key for getting the time asymptotic convergence of the whole sequence furnished by the numerical scheme, is also derived.
Published: 2021

26. Le prion sous toutes ses formes - Modélisation mathématique des processus d’agrégation et de conversion des protéines

Author: Lemarre, Paul, STAR, ABES, Institut Camille Jordan (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), Institut Camille Jordan, Université Claude Bernard Lyon 1, France, Laurent Pujo-Menjouet, and Suzanne Sindi
Subjects: Modèle cinétique, Dynamical systems, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], [SDV.BBM.BM]Life Sciences [q-bio]/Biochemistry, Molecular Biology/Molecular biology, Protein aggregation, Kinetic model, Systèmes dynamiques, [MATH.MATH-AP] Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], Équations différentielles ordinaires, Agrégats de protéines, Ordinary differential equations
Abstract: Following the discovery that prions are self-replicating assemblies of proteins, mathematical models were developed in parallel with experimental methods in order to conceptualize this phenomenon. After four decades of research, much insight has been gained into protein misfolding processes and the neurodegenerative diseases which they cause. However, the complexity of these systems remains undiminished and the classical models of protein aggregation are now showing their limits. In particular, the observed spectrum of objects generated during the propagation of prions is not accounted for in any model, whereas it keeps expanding under the development of experimental tools.In the present manuscript, our aim is to identify the weaknesses of classical models of prion propagation in light of recent biological evidence. We then suggest modified and improved models, by including different processes, by adding more levels of organization and more diversity to protein aggregates. Three main topics are presented, corresponding to different instances of protein aggregation and different biological systems. The first part takes place in the mammalian nervous system, and investigates the self-aggregation kinetics of PrP, the aptly named prion protein. In the second part, we model the replication of protein aggregates inside dividing yeast cells, by proposing a novel multi-scale approach. In the third part, we explore the spatial propagation of small protein oligomers in the early stages of Alzheimer’s Disease. These three axes are linked by the central role of structural diversity in the global protein aggregation system., Depuis la découverte de la nature des prions, de nombreux modèles mathématiques ont été proposés afin de représenter ces assemblages de protéines et leur réplication. Après quatre décennies de recherche expérimentale et conceptuelle, la compréhension des phénomènes d’agrégation de protéines, ansi que des maladies neurodégénératives qui leurs sont associées, a grandement progressé. Cependant la complexité de ces systèmes reste entière, et les modèles classiques commencent à montrer leurs limites. En particulier, aucun modèle ne reproduit l’immense diversité des objets qui sont observés au cours de la propagation des prions, alors que l’on en découvre continuellement de nouveaux sous l’avancée des procédés expérimentaux. Dans ce manuscrit, notre objectif est d’identifier les faiblesses des modèles classiques à travers l’apport de résultats biologiques récents. Par la suite, nous proposons des améliorations à ces modèles en incluant de nouveaux processus, en ajoutant des niveaux de structuration et de diversité aux agrégats. Trois axes orientent les résultats, correspondant à trois contextes biologiques différents. La première partie se déroule dans le système nerveux des mammifères, et étudie la cinétique d’auto-agrégation de PrP, la bien nommée protéine prion. Dans la seconde partie nous abordons une approche multi-échelle novatrice pour représenter la propagation d’agrégats de protéines dans des cellules de levure en croissance. La troisième partie explore la dissémination spatiale de petits oligomères dans les étapes précoces de la maladie d’Alzheimer. Ces trois axes se recoupent autour du thème central de la diversité structurale et son rôle crucial dans la propagation.
Published: 2021

27. Existence of solutions for some non‐Fredholm integro‐differential equations with the bi‐Laplacian

Author: Vitali Vougalter, Vitaly Volpert, Department of Mathematics [University of Toronto], University of Toronto, Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), and Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS)
Subjects: Differential equation, General Mathematics, 010102 general mathematics, Mathematical analysis, General Engineering, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], 010103 numerical & computational mathematics, 0101 mathematics, 01 natural sciences, Laplace operator, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS, Mathematics
Abstract: International audience
Published: 2020

28. Cortical stimulation in aphasia following ischemic stroke: toward model-guided electrical neuromodulation

Author: Simone Hemm, Anne Beuter, François Vassal, Anne Balossier, Vitaly Volpert, Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), and Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL)
Subjects: 0301 basic medicine, General Computer Science, Wave propagation, Computer science, Stimulation, Electric Stimulation Therapy, 03 medical and health sciences, 0302 clinical medicine, Aphasia, medicine, Humans, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], Stroke, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS, Ischemic Stroke, Cerebral Cortex, Artificial neural network, Stroke Rehabilitation, medicine.disease, Brain Waves, Neuromodulation (medicine), 030104 developmental biology, Brain stimulation, Ischemic stroke, medicine.symptom, Neuroscience, 030217 neurology & neurosurgery, Biotechnology
Abstract: The aim of this paper is to integrate different bodies of research including brain traveling waves, brain neuromodulation, neural field modeling and post-stroke language disorders in order to explore the opportunity of implementing model-guided, cortical neuromodulation for the treatment of post-stroke aphasia. Worldwide according to WHO, strokes are the second leading cause of death and the third leading cause of disability. In ischemic stroke, there is not enough blood supply to provide enough oxygen and nutrients to parts of the brain, while in hemorrhagic stroke, there is bleeding within the enclosed cranial cavity. The present paper focuses on ischemic stroke. We first review accumulating observations of traveling waves occurring spontaneously or triggered by external stimuli in healthy subjects as well as in patients with brain disorders. We examine the putative functions of these waves and focus on post-stroke aphasia observed when brain language networks become fragmented and/or partly silent, thus perturbing the progression of traveling waves across perilesional areas. Secondly, we focus on a simplified model based on the current literature in the field and describe cortical traveling wave dynamics and their modulation. This model uses a biophysically realistic integro-differential equation describing spatially distributed and synaptically coupled neural networks producing traveling wave solutions. The model is used to calculate wave parameters (speed, amplitude and/or frequency) and to guide the reconstruction of the perturbed wave. A stimulation term is included in the model to restore wave propagation to a reasonably good level. Thirdly, we examine various issues related to the implementation model-guided neuromodulation in the treatment of post-stroke aphasia given that closed-loop invasive brain stimulation studies have recently produced encouraging results. Finally, we suggest that modulating traveling waves by acting selectively and dynamically across space and time to facilitate wave propagation is a promising therapeutic strategy especially at a time when a new generation of closed-loop cortical stimulation systems is about to arrive on the market.
Published: 2020

29. Nonlinear analysis of periodic waves in a neural field model

Author: Vitaly Volpert, Stanislav Budzinskiy, A. Beuter, Faculty of Computational Mathematics and Cybernetics (Lomonosov Moscow State University), Moscow State University, Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), and Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL)
Subjects: Physics, Neurons, Quantitative Biology::Neurons and Cognition, Wave propagation, Applied Mathematics, Mathematical analysis, General Physics and Astronomy, Statistical and Nonlinear Physics, Depolarization, Inhibitory postsynaptic potential, 01 natural sciences, Stability (probability), Signal, 010305 fluids & plasmas, Nonlinear system, Cortical spreading depression, 0103 physical sciences, Excitatory postsynaptic potential, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], 010306 general physics, Mathematical Physics, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS
Abstract: Various types of brain activity, including motor, visual, and language, are accompanied by the propagation of periodic waves of electric potential in the cortex, possibly providing the synchronization of the epicenters involved in these activities. One example is cortical electrical activity propagating during sleep and described as traveling waves [Massimini et al., J. Neurosci. 24, 6862–6870 (2004)]. These waves modulate cortical excitability as they progress. Clinically related examples include cortical spreading depression in which a wave of depolarization propagates not only in migraine but also in stroke, hemorrhage, or traumatic brain injury [Whalen et al., Sci. Rep. 8, 1–9 (2018)]. Here, we consider the possible role of epicenters and explore a neural field model with two nonlinear integrodifferential equations for the distributions of activating and inhibiting signals. It is studied with symmetric connectivity functions characterizing signal exchange between two populations of neurons, excitatory and inhibitory. Bifurcation analysis is used to investigate the emergence of periodic traveling waves and of standing oscillations from the stationary, spatially homogeneous solutions, and the stability of these solutions. Both types of solutions can be started by local oscillations indicating a possible role of epicenters in the initiation of wave propagation.
Published: 2020

30. Spatio-temporal Bazykin's model with space-time nonlocality

Author: Vitaly Volpert, Malay Banerjee, Swadesh Pal, Indian Institute of Technology Kanpur (IIT Kanpur), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), and Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS)
Subjects: turing instability, 02 engineering and technology, Stability (probability), symbols.namesake, Quantum nonlocality, nonlocal interaction, 0502 economics and business, 0202 electrical engineering, electronic engineering, information engineering, QA1-939, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], Statistical physics, Hopf bifurcation, Physics, Spacetime, Applied Mathematics, Space time, 05 social sciences, spatial pattern, General Medicine, Term (time), Computational Mathematics, Nonlinear system, Modeling and Simulation, Kernel (statistics), symbols, 020201 artificial intelligence & image processing, General Agricultural and Biological Sciences, hopf bifurcation, 050203 business & management, TP248.13-248.65, Mathematics, bazykin’s model, Biotechnology
Abstract: International audience; This work deals with a reaction-diffusion model for prey-predator interaction with Bazykin's reaction kinetics and a nonlocal interaction term in prey growth. The kernel of the integral characterizes nonlocal consumption of resources and depends on space and time. Linear stability analysis determines the conditions of the emergence of Turing patterns without and with nonlocal term, while weakly nonlinear analysis allows the derivation of amplitude equations. The bifurcation analysis and numerical simulation carried out in this work reveal the existence of stationary and dynamic patterns appearing due to the loss of stability of the coexistence homogeneous steady-state.
Published: 2020

31. Reduction of a stochastic model of gene expression: Lagrangian dynamics gives access to basins of attraction as cell types and metastabilty

Author: Charles-Edouard Bréhier, Thibault Espinasse, Vincent Calvez, Olivier Gandrillon, Elias Ventre, Thomas Lepoutre, École normale supérieure - Lyon (ENS Lyon), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), École normale supérieure de Lyon (ENS de Lyon), Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Probabilités, statistique, physique mathématique (PSPM), Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), and ANR-18-CE45-0023,SingleStatOmics,Statistique et Apprentissage pour la génomique en cellules uniques(2018)
Subjects: Stochastic modelling, Biochemical Phenomena, Gene regulatory network, Markov process, Gene Expression, 01 natural sciences, 03 medical and health sciences, symbols.namesake, 0103 physical sciences, Applied mathematics, Gene Regulatory Networks, Limit (mathematics), [MATH]Mathematics [math], 010306 general physics, 030304 developmental biology, Mathematics, 0303 health sciences, Stochastic Processes, Stationary distribution, Applied Mathematics, Quantitative Biology::Molecular Networks, Agricultural and Biological Sciences (miscellaneous), Markov Chains, Modeling and Simulation, symbols, Piecewise, Large deviations theory, Rate function
Abstract: Differentiation is the process whereby a cell acquires a specific phenotype, by differential gene expression as a function of time. This is thought to result from the dynamical functioning of an underlying Gene Regulatory Network (GRN). The precise path from the stochastic GRN behavior to the resulting cell state is still an open question. In this work we propose to reduce a stochastic model of gene expression, where a cell is represented by a vector in a continuous space of gene expression, to a discrete coarse-grained model on a limited number of cell types. We develop analytical results and numerical tools to perform this reduction for a specific model characterizing the evolution of a cell by a system of piecewise deterministic Markov processes (PDMP). Solving a spectral problem, we find the explicit variational form of the rate function associated to a large deviations principle, for any number of genes. The resulting Lagrangian dynamics allows us to define a deterministic limit of which the basins of attraction can be identified to cellular types. In this context the quasipotential, describing the transitions between these basins in the weak noise limit, can be defined as the unique solution of an Hamilton-Jacobi equation under a particular constraint. We develop a numerical method for approximating the coarse-grained model parameters, and show its accuracy for a symmetric toggle-switch network. We deduce from the reduced model an approximation of the stationary distribution of the PDMP system, which appears as a Beta mixture. Altogether those results establish a rigorous frame for connecting GRN behavior to the resulting cellular behavior, including the calculation of the probability of jumps between cell types.
Published: 2020

32. A Mathematical model for treatment of papillary thyroid cancer using the allee effect

Author: Paulo Fernando de Arruda Mancera, Izabel Cristina Rodrigues da Silva, Mostafa Adimy, Jairo Gomes da Silva, Rafael Martins de Morais, Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho = São Paulo State University (UNESP), Imagens Médicas de Brasília [Taguatinga] (IMEB), Universidade de Brasilia [Brasília] (UnB), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan (ICJ), Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Universidade Estadual Paulista (Unesp), Imagens Médicas de Brasília (IMEB), Universidade de Brasília (UnB), and Institute Camille Jordan
Subjects: 0301 basic medicine, Oncology, medicine.medical_specialty, endocrine system diseases, [MATH.MATH-DS]Mathematics [math]/Dynamical Systems [math.DS], Interleukin 6, Papillary thyroid cancer, 03 medical and health sciences, symbols.namesake, 0302 clinical medicine, Internal medicine, hemic and lymphatic diseases, medicine, Thyroid cancer, Thyroid tumors, Thyroid Tumor, Allee effect, Ecology, biology, business.industry, Applied Mathematics, Incidence (epidemiology), General Medicine, medicine.disease, Agricultural and Biological Sciences (miscellaneous), 3. Good health, 030104 developmental biology, Ordinary Differential Equations, 030220 oncology & carcinogenesis, biology.protein, symbols, Radioiodine, business, Thyroid tumor, Ordinary differential equations
Abstract: Made available in DSpace on 2021-06-25T10:11:28Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2020-09-01 The incidence of thyroid cancer is rising all over the world, and the papillary subtype (PTC) is the primary factor for this increase. The presence of thyroid tumors is commonly associated with increased levels of cytokines, such as interleukin 6 (IL-6). Considering PTC patients treated with thyroidectomy and radioactive iodine 131I (RAI), we propose an ordinary differential system using four variables: the RAI activity, the number of cancer cells and the serum concentrations of IL-6 and thyroglobulin (Tg). Our objective is to study the efficacy of different therapeutic doses of RAI in the treatment of thyroid cancer. The Allee effect is taken into account when modeling cancer cells growth under the influence of IL-6. From the results obtained, the main factors and conditions correlated with successful treatment, such as the RAI activity used and the tumor response are addressed. The detection of minimal doses of RAI that can cause tumor extinction is performed, though this has also meant longer periods for tumor cell elimination. The critical number of tumor cells due to the Allee effect is analyzed and linked to the immune system or biological factors that can slow the progression of the tumor but are insufficient after thyroid resection surgery. Programa de Pós-Graduação em Biometria Universidade Estadual Paulista (UNESP) Instituto de Biociências Botucatu Sp Imagens Médicas de Brasília (IMEB) Universidade de Brasília (UnB) Faculdade de Ceilândia Inria Univ Lyon Université de Lyon 1 Institute Camille Jordan, 43 Bd. du 11 novembre 1918 Universidade Estadual Paulista (UNESP) Instituto de Biociências Programa de Pós-Graduação em Biometria Universidade Estadual Paulista (UNESP) Instituto de Biociências Botucatu Sp Universidade Estadual Paulista (UNESP) Instituto de Biociências
Published: 2020

33. A mathematical model to quantify the effects of platelet count, shear rate, and injury size on the initiation of blood coagulation under venous flow conditions

Author: Vitaly Volpert, Yuri V. Vassilevski, Anass Bouchnita, Patrice Nony, Kirill M. Terekhov, Ecole Centrale Casablanca, Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), and Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS)
Subjects: Platelet Aggregation, Physiology, Biochemistry, 01 natural sciences, Animal Cells, Blood Flow, Blood plasma, Medicine and Health Sciences, Platelet, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS, Blood coagulation test, 0303 health sciences, Multidisciplinary, biology, Chemistry, Thrombin, Proteases, Hematology, Body Fluids, Enzymes, 3. Good health, 010101 applied mathematics, Blood, Coagulation, Cardiology, Medicine, Blood Coagulation Tests, Anatomy, Cellular Types, Shear Strength, Research Article, circulatory and respiratory physiology, medicine.drug, Platelets, Blood Platelets, medicine.medical_specialty, Science, Blood Plasma, Fibrin, Thromboplastin, Veins, 03 medical and health sciences, Internal medicine, medicine, Humans, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], 0101 mathematics, Thrombus, Blood Coagulation, 030304 developmental biology, Blood Cells, Platelet Count, Biology and Life Sciences, Proteins, Thrombosis, Cell Biology, Blood flow, Models, Theoretical, medicine.disease, Regional Blood Flow, Enzymology, biology.protein, Serine Proteases
Abstract: Platelets upregulate the generation of thrombin and reinforce the fibrin clot which increases the incidence risk of venous thromboembolism (VTE). However, the role of platelets in the pathogenesis of venous cardiovascular diseases remains hard to quantify. An experimentally validated model of thrombin generation dynamics is formulated. The model predicts that a high platelet count increases the peak value of generated thrombin as well as the endogenous thrombin potential (ETP) as reported in experimental data. To investigate the effects of platelets density, shear rate, and wound size on the initiation of blood coagulation, we calibrate a previously developed model of venous thrombus formation and implement it in 3D using a novel cell-centered finite-volume solver. We conduct numerical simulations to reproduce in vitro experiments of blood coagulation in microfluidic capillaries. Then, we derive a reduced one-equation model of thrombin distribution from the previous model under simplifying hypotheses and we use it to determine the conditions of clotting initiation on the platelet count, the shear rate, and the plasma composition. The initiation of clotting also exhibits a threshold response to the size of the wounded region in good agreement with the reported experimental findings.
Published: 2020

34. Dynamics of Convective Thermal Explosion in Porous Media

Author: Vitaly Volpert, Youssef Joundy, Karam Allali, Ahmed Taik, University Hassan II [Casablanca], Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), and Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS)
Subjects: Convection, Period-doubling bifurcation, Physics, Natural convection, 010504 meteorology & atmospheric sciences, Applied Mathematics, Mechanics, 01 natural sciences, Boussinesq approximation (buoyancy), Darcy–Weisbach equation, 010305 fluids & plasmas, law.invention, Nonlinear Sciences::Chaotic Dynamics, Complex dynamics, 13. Climate action, law, Modeling and Simulation, Intermittency, 0103 physical sciences, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], Porous medium, Engineering (miscellaneous), 0105 earth and related environmental sciences
Abstract: International audience; In this paper, we study complex dynamics of the interaction between natural convection and thermal explosion in porous media. This process is modeled with the nonlinear heat equation coupled with the nonstationary Darcy equation under the Boussinesq approximation for a fluid-saturated porous medium in a rectangular domain. Numerical simulations with the Radial Basis Functions Method (RBFM) reveal complex dynamics of solutions and transitions to chaos after a sequence of period doubling bifurcations. Several periodic windows alternate with chaotic regimes due to intermittence or crisis. After the last chaotic regime, a final periodic solution precedes transition to thermal explosion.
Published: 2020

35. Periodic solutions for a nonautonomous mathematical model of hematopoietic stem cell dynamics

Author: Pablo Amster, Mostafa Adimy, Julián Epstein, Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan (ICJ), Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), Universidad de Buenos Aires [Buenos Aires] (UBA), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), and Dep. Mathematica, Universidad Buenos Aires
Subjects: 37B55, [MATH.MATH-DS]Mathematics [math]/Dynamical Systems [math.DS], Population, Dynamical Systems (math.DS), Fixed point, 01 natural sciences, Method of characteristics, FOS: Mathematics, medicine, Applied mathematics, 0101 mathematics, Mathematics - Dynamical Systems, education, Mathematics, education.field_of_study, Partial differential equation, Delay differential-difference nonautonomous equations, Periodic solutions, 39A23, Applied Mathematics, 010102 general mathematics, Dynamics (mechanics), Topological degree and fixed point methods AMS Math. Subj. Classification: 34K13, Hematopoietic stem cell, 37C25, 010101 applied mathematics, medicine.anatomical_structure, Hematopoietic stem cells, Analysis
Abstract: The main purpose of this paper is to study the existence of periodic solutions for a nonautonomous differential-difference system describing the dynamics of hematopoietic stem cell (HSC) population under some external periodic regulatory factors at the cellular cycle level. The starting model is a nonautonomous system of two age-structured partial differential equations describing the HSC population in quiescent ($G_0$) and proliferating ($G_1$, $S$, $G_2$ and $M$) phase. We are interested on the effects of a periodically time varying coefficients due for example to circadian rhythms or to the periodic use of certain drugs, on the dynamics of HSC population. The method of characteristics reduces the age-structured model to a nonautonomous differential-difference system. We prove under appropriate conditions on the parameters of the system, using topological degree techniques and fixed point methods, the existence of periodic solutions of our model., 23 pages
Published: 2020

36. Existence of Reaction–Diffusion Waves in a Model of Immune Response

Author: Vitaly Volpert, Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), and Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL)
Subjects: Degree (graph theory), General Mathematics, 010102 general mathematics, Mathematical analysis, System of linear equations, 01 natural sciences, Quantitative Biology::Cell Behavior, 010101 applied mathematics, Elliptic operator, Distribution (mathematics), Reaction–diffusion system, Traveling wave, A priori and a posteriori, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], 0101 mathematics, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS, Mathematics
Abstract: International audience; Existence of travelling waves is studied for a reaction–diffusion system of equations describing the distribution of viruses and immune cells in the tissue. The proof uses the Leray–Schauder method based on the topological degree for elliptic operators in unbounded domains and on a priori estimates of solutions in weighted spaces.
Published: 2020

37. Maternal Passive Immunity and Dengue Hemorrhagic Fever in Infants

Author: Fernando Luiz Pio dos Santos, Claudia Pio Ferreira, Paulo Fernando de Arruda Mancera, Mostafa Adimy, Diego Samuel Rodrigues, Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), São Paulo State University (UNESP), Institute of Biosciences, 18618-689 Botucatu, Université Lyon 1, Universidade Estadual Paulista (Unesp), Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan (ICJ), and Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS)
Subjects: 0301 basic medicine, Dengue hemorrhagic fever, medicine.medical_treatment, Antibody-Dependent Enhancement (ADE), Local and global stability analyses, Numerical simulations Mathematics Subject Classification (2000) 37N25, Passive immunity, Dengue virus, medicine.disease_cause, Antibodies, Viral, Model dynamics, Dengue fever, 0302 clinical medicine, Pregnancy, General Environmental Science, education.field_of_study, biology, General Neuroscience, Age Factors, Antibody-dependent enhancement (ADE), virus diseases, Local and Global stability analysis, 34A34, 3. Good health, Computational Theory and Mathematics, 030220 oncology & carcinogenesis, Female, Antibody, General Agricultural and Biological Sciences, General Mathematics, Immunology, Population, [MATH.MATH-DS]Mathematics [math]/Dynamical Systems [math.DS], 92B05, General Biochemistry, Genetics and Molecular Biology, Virus, 03 medical and health sciences, medicine, Humans, Computer Simulation, Severe Dengue, education, Pharmacology, Host Microbial Interactions, DENV, Infant, Newborn, Models, Immunological, Infant, Mathematical Concepts, Dengue Virus, medicine.disease, Antibodies, Neutralizing, Antibody-Dependent Enhancement, 030104 developmental biology, Nonlinear Dynamics, biology.protein, Mathematical modeling, Immunity, Maternally-Acquired
Abstract: Made available in DSpace on 2020-12-12T01:12:59Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2020-02-01 Dengue hemorrhagic fever (DHF) can occur in primary dengue virus infection of infants < 1 year of age. To understand the presumed role of maternal dengue-specific antibodies received until birth in the development of this primary DHF in infants, we investigated a mathematical model based on a system of nonlinear ordinary differential equations that mimics cells, virus and antibodies interactions. The neutralization and enhancement activities of maternal antibodies against the virus are represented by a function derived from experimental data and knowledge from the medical literature. The analytic study of the model shows the existence of two equilibriums, a disease-free equilibrium and an endemic one. We performed the asymptotic stability analysis for these two equilibriums. The local asymptotic stability of the endemic equilibrium (DHF equilibrium) corresponds to the occurrence of DHF. Numerical results are also presented in order to illustrate the mathematical analysis performed, highlighting the most important parameters that drive model dynamics. We defined the age at which DHF occurs as the time when the infection takes off that means at the inflection point of the curve of infected cell population. We showed that this age corresponds to the one at which maximum enhancing activity for dengue infection appears. This critical time for the occurrence of DHF is calculated from the model to be approximately 2 months after the time for maternal dengue neutralizing antibodies to degrade below a protective level, which corresponds to what is observed in the experimental data from the literature. Inria Université de Lyon Université Lyon 1, 43 Bd. du 11 novembre 1918 São Paulo State University (UNESP), Rua Prof. Dr. Antônio Celso Wagner Zanin, 250, District of Rubião Junior School of Technology University of Campinas (UNICAMP), Rua Paschoal Marmo, 1888 São Paulo State University (UNESP), Rua Prof. Dr. Antônio Celso Wagner Zanin, 250, District of Rubião Junior
Published: 2020

38. A unifying model for the propagation of prion proteins in yeast brings insight into the [PSI+] prion

Author: Laurent Pujo-Menjouet, Paul Lemarre, Suzanne Sindi, Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon, Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), University of California [Merced], University of California, ANR: 10-LABX-0070,MILYON,Community of mathematics and fundamental computer science in Lyon(2010), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), ANR-10-LABX-0070,MILYON,Community of mathematics and fundamental computer science in Lyon(2010), Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), University of California [Merced] (UC Merced), and University of California (UC)
Subjects: 0301 basic medicine, Convergent Evolution, Computer science, Yeast and Fungal Models, 0302 clinical medicine, Cell Cycle and Cell Division, Biology (General), ComputingMilieux_MISCELLANEOUS, Heat-Shock Proteins, Cell Analysis, 0303 health sciences, Budding, Ecology, biology, Chemistry, Simulation and Modeling, Monomers, Eukaryota, Phenotype, [SDV.BIBS]Life Sciences [q-bio]/Quantitative Methods [q-bio.QM], Order (biology), Bioassays and Physiological Analysis, Computational Theory and Mathematics, Experimental Organism Systems, Cell Division Analysis, Cell Processes, Modeling and Simulation, Physical Sciences, Prion Proteins, Biological system, Peptide Termination Factors, Research Article, Amyloid, Saccharomyces cerevisiae Proteins, Evolutionary Processes, QH301-705.5, Saccharomyces cerevisiae, [MATH.MATH-DS]Mathematics [math]/Dynamical Systems [math.DS], Research and Analysis Methods, Models, Biological, Cellular and Molecular Neuroscience, 03 medical and health sciences, Saccharomyces, Model Organisms, Differential Equations, Genetics, Computer Simulation, Molecular Biology, Ecology, Evolution, Behavior and Systematics, Guanidine, 030304 developmental biology, Evolutionary Biology, Mathematical Modeling, Extramural, Mechanism (biology), Organisms, Fungi, Biology and Life Sciences, [SDV.BBM.BM]Life Sciences [q-bio]/Biochemistry, Molecular Biology/Molecular biology, Cell Biology, Models, Theoretical, biology.organism_classification, Polymer Chemistry, Yeast, Replication (computing), Kinetics, 030104 developmental biology, Biophysics, Animal Studies, 030217 neurology & neurosurgery, Mathematics
Abstract: The use of yeast systems to study the propagation of prions and amyloids has emerged as a crucial aspect of the global endeavor to understand those mechanisms. Yeast prion systems are intrinsically multi-scale: the molecular chemical processes are indeed coupled to the cellular processes of cell growth and division to influence phenotypical traits, observable at the scale of colonies. We introduce a novel modeling framework to tackle this difficulty using impulsive differential equations. We apply this approach to the [PSI+] yeast prion, which is associated with the misconformation and aggregation of Sup35. We build a model that reproduces and unifies previously conflicting experimental observations on [PSI+] and thus sheds light onto characteristics of the intracellular molecular processes driving aggregate replication. In particular our model uncovers a kinetic barrier for aggregate replication at low densities, meaning the change between prion or prion-free phenotype is a bi-stable transition. This result is based on the study of prion curing experiments, as well as the phenomenon of colony sectoring, a phenotype which is often ignored in experimental assays and has never been modeled. Furthermore, our results provide further insight into the effect of guanidine hydrochloride (GdnHCl) on Sup35 aggregates. To qualitatively reproduce the GdnHCl curing experiment, aggregate replication must not be completely inhibited, which suggests the existence of a mechanism different than Hsp104-mediated fragmentation. Those results are promising for further development of the [PSI+] model, but also for extending the use of this novel framework to other yeast prion or amyloid systems., Author summary In the study of yeast prions, mathematical modeling is a powerful tool, in particular when it comes to facing the difficulties of multi-scale systems. In this study, we introduce a mathematical framework for investigating this problem in a unifying way. We focus on the yeast prion [PSI+] and present a simple molecular scheme for prion replication and a model of yeast budding. In order to qualitatively reproduce experiments, we need to introduce a non-linear mechanism in the molecular rates. This transforms the intracellular system into a bi-stable switch and allows for curing to occur, which is a crucial phenomenon for the study of yeast prions. To the best of our knowledge, no model in the literature includes such a mechanism, at least not explicitly. We also describe the GdnHCl curing experiment, and the propagon counting procedure. Reproducing this result requires challenging hypotheses that are commonly accepted, and our interpretation gives a new perspective on the concept of propagon. This study may be considered as a good example of how mathematical modeling can bring valuable insight into biological concepts and observations.
Published: 2020

39. Modeling the dynamics of Wolbachia -infected and uninfected A edes aegypti populations by delay differential equations

Author: C.P. Ferreira, A.S. Benedito, M. Adimy, Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho = São Paulo State University (UNESP), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan (ICJ), Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), Université de Lyon, Universidade Estadual Paulista (Unesp), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ)
Subjects: 92D40. .. Age and stage structured partial differential system, [MATH.MATH-DS]Mathematics [math]/Dynamical Systems [math.DS], Zoology, Local and global asymptotic stability, Aedes aegypti, 34K20, Biology, 92D25, 01 natural sciences, 03 medical and health sciences, delay differential system, local and global asymptotic stability, parasitic diseases, Hopf bifurcation, 0101 mathematics, 34K18, 030304 developmental biology, 0303 health sciences, Larva, Extinction, Mathematics Subject Classification. 34K13, Applied Mathematics, fungi, Delay differential equation, biology.organism_classification, Age and stage structured partial differential system, 010101 applied mathematics, Pupa, Modeling and Simulation, 34K21, Wolbachia, Sex ratio, Cytoplasmic incompatibility, Delay differential system
Abstract: Made available in DSpace on 2021-06-25T10:18:18Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2020-01-01 Starting from an age structured partial differential model, constructed taking into account the mosquito life cycle and the main features of the Wolbachia-infection, we derived a delay differential model using the method of characteristics, to study the colonization and persistence of the Wolbachia-transinfected Aedes aegypti mosquito in an environment where the uninfected wild mosquito population is already established. Under some conditions, the model can be reduced to a Nicholson-type delay differential system; here, the delay represents the duration of mosquito immature phase that comprises egg, larva and pupa. In addition to mortality and oviposition rates characteristic of the life cycle of the mosquito, other biological features such as cytoplasmic incompatibility, bacterial inheritance, and deviation on sex ratio are considered in the model. The model presents three equilibriums: the extinction of both populations, the extinction of Wolbachia-infected population and persistence of uninfected one, and the coexistence. The conditions of existence for each equilibrium are obtained analytically and have been interpreted biologically. It is shown that the increase of the delay can promote, through Hopf bifurcation, stability switch towards instability for the nonzero equilibriums. Overall, when the delay increases and crosses predetermined thresholds, the populations go to extinction. Inria Université de Lyon, Université Lyon 1 São Paulo State University (UNESP) Institute of Biosciences São Paulo State University (UNESP) Institute of Biosciences
Published: 2020

40. Global dynamics of a differential-difference system: a case of Kermack-McKendrick SIR model with age-structured protection phase

Author: Adimy, Mostafa, Chekroun, Abdennasser, Ferreira, Claudia Pio [UNESP], Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Département de Mathematiques [Tlemcen], Université Aboubekr Belkaid - University of Belkaïd Abou Bekr [Tlemcen], Department of Biostatistics, University Sao Paulo, Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan (ICJ), Institut Camille Jordan, Universite de Tlemcen-Tlemcen, and Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Subjects: local and global stability, age-structured PDE, [MATH.MATH-DS]Mathematics [math]/Dynamical Systems [math.DS], Delay differential-difference system, SIR epidemic model, Lyapunov functional, Communicable Diseases, Models, Biological, Quantitative Biology::Other, Basic reproduction number, delay differential-difference system, basic reproduction number, QA1-939, Humans, Quantitative Biology::Populations and Evolution, Age-structured PDE, Computer Simulation, Epidemics, Local and global stability, TP248.13-248.65, Mathematics, Biotechnology
Abstract: Made available in DSpace on 2020-12-12T02:30:27Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2020-01-01 In this paper, we are concerned with an epidemic model of susceptible, infected and recovered (SIR) population dynamic by considering an age-structured phase of protection with limited duration, for instance due to vaccination or drugs with temporary immunity. The model is reduced to a delay differential-difference system, where the delay is the duration of the protection phase. We investigate the local asymptotic stability of the two steady states: disease-free and endemic. We also establish when the endemic steady state exists, the uniform persistence of the disease. We construct quadratic and logarithmic Lyapunov functions to establish the global asymptotic stability of the two steady states. We prove that the global stability is completely determined by the basic reproduction number. Inria CNRS UMR 5208 Institut Camille Jordan, Universite Lyon 1 Laboratoire d'Analyse Nonlineaire et Mathematiques Appliquees Universite de Tlemcen-Tlemcen Department of Biostatistics São Paulo State University (UNESP) Department of Biostatistics São Paulo State University (UNESP)
Published: 2020

41. Dynamics of a Diffusive Two-Prey-One-Predator Model with Nonlocal Intra-Specific Competition for Both the Prey Species

Author: Vitaly Volpert, Kalyan Manna, Malay Banerjee, Indian Institute of Technology Kanpur (IIT Kanpur), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), and Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS)
Subjects: spatiotemporal pattern, Differential equation, General Mathematics, media_common.quotation_subject, Population, Generalist and specialist species, 01 natural sciences, Competition (biology), 010305 fluids & plasmas, Predation, prey–predator, nonlocal interaction, 0103 physical sciences, Computer Science (miscellaneous), Quantitative Biology::Populations and Evolution, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], Statistical physics, 0101 mathematics, education, Engineering (miscellaneous), ComputingMilieux_MISCELLANEOUS, Mathematics, media_common, education.field_of_study, Mathematical model, lcsh:Mathematics, Turing instability, 010102 general mathematics, diffusion, Spatiotemporal pattern, lcsh:QA1-939, Stable distribution
Abstract: Investigation of interacting populations is an active area of research, and various modeling approaches have been adopted to describe their dynamics. Mathematical models of such interactions using differential equations are capable to mimic the stationary and oscillating (regular or irregular) population distributions. Recently, some researchers have paid their attention to explain the consequences of transient dynamics of population density (especially the long transients) and able to capture such behaviors with simple models. Existence of multiple stationary patches and settlement to a stable distribution after a long quasi-stable transient dynamics can be explained by spatiotemporal models with nonlocal interaction terms. However, the studies of such interesting phenomena for three interacting species are not abundant in literature. Motivated by these facts here we have considered a three species prey&ndash, predator model where the predator is generalist in nature as it survives on two prey species. Nonlocalities are introduced in the intra-specific competition terms for the two prey species in order to model the accessibility of nearby resources. Using linear analysis, we have derived the Turing instability conditions for both the spatiotemporal models with and without nonlocal interactions. Validation of such conditions indicates the possibility of existence of stationary spatially heterogeneous distributions for all the three species. Existence of long transient dynamics has been presented under certain parametric domain. Exhaustive numerical simulations reveal various scenarios of stabilization of population distribution due to the presence of nonlocal intra-specific competition for the two prey species. Chaotic oscillation exhibited by the temporal model is significantly suppressed when the populations are allowed to move over their habitat and prey species can access the nearby resources.
Published: 2020

42. Mathematical Modelling in the era of coronavirus (Six month in a new reality)

Author: Vitaly Volpert, Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), and Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS)
Subjects: 2019-20 coronavirus outbreak, Coronavirus disease 2019 (COVID-19), Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), Applied Mathematics, 010102 general mathematics, 02 engineering and technology, Biology, medicine.disease_cause, 01 natural sciences, Virology, Modeling and Simulation, Modelling and Simulation, 0202 electrical engineering, electronic engineering, information engineering, medicine, 020201 artificial intelligence & image processing, 0101 mathematics, [MATH]Mathematics [math], ComputingMilieux_MISCELLANEOUS, Coronavirus
Abstract: International audience; No abstract available
Published: 2020

43. Prey-predator model with nonlocal and global consumption in the prey dynamics

Author: Malay Banerjee, Vitaly Volpert, Nayana Mukherjee, Indian Institute of Technology Kanpur (IIT Kanpur), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), and Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS)
Subjects: Consumption (economics), Applied Mathematics, Dynamics (mechanics), Space (mathematics), 01 natural sciences, Predation, Pulse (physics), 010101 applied mathematics, 0103 physical sciences, Traveling wave, Quantitative Biology::Populations and Evolution, Discrete Mathematics and Combinatorics, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], Prey predator, Statistical physics, 0101 mathematics, 010301 acoustics, Analysis, Bifurcation, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS, Mathematics
Abstract: A prey-predator model with a nonlocal or global consumption of resources by prey is studied. Linear stability analysis about the homogeneous in space stationary solution is carried out to determine the conditions of the bifurcation of stationary and moving pulses in the case of global consumption. Their existence is confirmed in numerical simulations. Periodic travelling waves and multiple pulses are observed for the nonlocal consumption.
Published: 2020

44. On a quarantine model of coronavirus infection and data analysis

Author: Malay Banerjee, Vitaly Volpert, Sergei Petrovskii, Institut Camille Jordan (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), Department of Mathematics and Statistics [Kanpur], Indian Institute of Technology Kanpur (IIT Kanpur), University of Leicester, Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), and Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: Coronavirus disease 2019 (COVID-19), Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), Dynamical Systems (math.DS), Biology, medicine.disease_cause, 01 natural sciences, 010305 fluids & plasmas, law.invention, Incubation period, law, Modelling and Simulation, 0103 physical sciences, Quarantine, FOS: Mathematics, 92Bxx, 92D30, medicine, Coronavirus infection, Mathematics - Dynamical Systems, 0101 mathematics, modes of infection development, [MATH]Mathematics [math], Quantitative Biology - Populations and Evolution, Coronavirus, Applied Mathematics, Disease progression, Populations and Evolution (q-bio.PE), 3. Good health, 010101 applied mathematics, FOS: Biological sciences, Modeling and Simulation, quarantine model, Epidemic model, Basic reproduction number, Demography
Abstract: Attempts to curb the spread of coronavirus by introducing strict quarantine measures apparently have different effect in different countries: while the number of new cases has reportedly decreased in China and South Korea, it still exhibit significant growth in Italy and other countries across Europe. In this brief note, we endeavour to assess the efficiency of quarantine measures by means of mathematical modelling. Instead of the classical SIR model, we introduce a new model of infection progression under the assumption that all infected individual are isolated after the incubation period in such a way that they cannot infect other people. Disease progression in this model is determined by the basic reproduction number $\mathcal{R}_0$ (the number of newly infected individuals during the incubation period), which is different compared to that for the standard SIR model. If $\mathcal{R}_0 >1$, then the number of latently infected individuals exponentially grows. However, if $\mathcal{R}_0, & pages, 4 figures
Published: 2020

45. Spatial Risk Measure for Max-Stable and Max-Mixture Processes

Author: Véronique Maume-Deschamps, Pierre Ribereau, Manaf Ahmed, Céline Vial, Institut Camille Jordan (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Probabilités, statistique, physique mathématique (PSPM), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Projet LEFE-INSU MultiRsik, ANR-10-LABX-0070,MILYON,Community of mathematics and fundamental computer science in Lyon(2010), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), and Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: Statistics and Probability, Pure mathematics, spatial risk measures, Inverse, Mathematics - Statistics Theory, Statistics Theory (math.ST), 01 natural sciences, 010104 statistics & probability, Mixing (mathematics), [MATH.MATH-ST]Mathematics [math]/Statistics [math.ST], FOS: Mathematics, 0101 mathematics, Spatial dependence, Extreme value theory, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS, Mathematics, Risk measure, Probability (math.PR), 010102 general mathematics, Isotropy, Asymptotic independence, Function (mathematics), [MATH.MATH-PR]Mathematics [math]/Probability [math.PR], Modeling and Simulation, max-mixture processes, Mathematics - Probability
Abstract: In this paper, we consider isotropic and stationary max-stable, inverse max-stable and max-mixture processes $X=(X(s))\_{s\in\bR^2}$ and the damage function $\cD\_X^{\nu}= |X|^\nu$ with $0
Published: 2020

46. Genotype-dependent virus distribution and competition of virus strains

Author: Cristina Leon, Vladimir Popov, Vitaly Volpert, Gennady Bocharov, Nikolai Bessonov, Institute for Problems of Mechanical Engineering (IPME RAS), Russian Academy of Sciences [Moscow] (RAS), Peoples’ Friendship University of Russia, Institut Camille Jordan (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), and Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: Genetics, 0303 health sciences, Numerical Analysis, media_common.quotation_subject, Biology, 01 natural sciences, Competition (biology), Virus, 010101 applied mathematics, 03 medical and health sciences, Computational Mathematics, Genotype, Distribution (pharmacology), [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], 0101 mathematics, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS, 030304 developmental biology, Civil and Structural Engineering, media_common
Abstract: International audience
Published: 2020

47. Coronavirus – Scientific insights and societal aspects

Author: Vitaly Volpert, Tomasz Lipniacki, Malay Banerjee, Alberto d’Onofrio, Sergei Petrovskii, Viet Chi Tran, Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Department of Chemistry and Biochemistry, University of California (UC), Institute of Fundamental Technological Research (IPPT), Polska Akademia Nauk = Polish Academy of Sciences (PAN), Department of Mathematical Sciences, Loughborough University, Loughborough University, Laboratoire Analyse et Mathématiques Appliquées (LAMA), Université Paris-Est Créteil Val-de-Marne - Paris 12 (UPEC UP12)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Gustave Eiffel, Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), ANR-16-CE32-0007,CADENCE,Propagation de processus épidémiques sur des réseaux dynamiques de mouvements d'animaux avec application aux bovins en France(2016), Volpert, V, Banerjee, M, D'Onofrio, A, Lipniacki, T, Petrovskii, S, CHI TRAN, V, Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), University of California, Institut de recherches sur la catalyse et l'environnement de Lyon (IRCELYON), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Chi, Tran, and Vitaly, Volpert
Subjects: History, Mathematical Epidemiology, Mathematical Physics, Applied Physics, Mathematical Analysis, Statistical Physics, Sociophysics, Applied Physic, Coronavirus disease 2019 (COVID-19), COVID-19, epidemic progression, mathematical models, crisis management, open questions, Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), Crisis management, medicine.disease_cause, nobody, 03 medical and health sciences, 0302 clinical medicine, Public discussion, Modelling and Simulation, Development economics, medicine, Mathematical Physic, 030212 general & internal medicine, Statistical Physic, [MATH]Mathematics [math], China, 030304 developmental biology, Coronavirus, 0303 health sciences, Applied Mathematics, World War II, 3. Good health, Modeling and Simulation, Mathematical Analysi, mathematical model
Abstract: International audience; In December 2019, the first case of infection with a new virus COVID-19 (SARS-CoV-2), named coronavirus, was reported in the city of Wuhan, China. At that time, almost nobody paid any attention to it. The new pathogen, however, fast proved to be extremely infectious and dangerous, resulting in about 3–5% mortality. Over the few months that followed, coronavirus has spread over entire world. At the end of March, the total number of infections is fast approaching the psychological threshold of one million, resulting so far in tens of thousands of deaths. Due to the high number of lives already lost and the virus high potential for further spread, and due to its huge overall impact on the economies and societies, it is widely admitted that coronavirus poses the biggest challenge to the humanity after the second World war. The COVID-19 epidemic is provoking numerous questions at all levels. It also shows that modern society is extremely vulnerable and unprepared to such events. A wide scientific and public discussion becomes urgent. Some possible directions of this discussion are suggested in this article.
Published: 2020

48. Editorial: Mathematical Modeling of the Immune System in Homeostasis, Infection and Disease

Author: Burkhard Ludewig, Vitaly Volpert, Andreas Meyerhans, Gennady Bocharov, The University of Tennessee [Knoxville], Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institute of Immunobiology [St. Gallen], Brustzentrum Kantonsspital St. Gallen, Universitat Pompeu Fabra [Barcelona] (UPF), Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA), Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), and Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL)
Subjects: lcsh:Immunologic diseases. Allergy, Immunology, Disease, multiscale (MS) modeling, 03 medical and health sciences, Immune system, Immunology and Allergy, Medicine, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], immune-related diseases, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS, 030304 developmental biology, spatial organization, 0303 health sciences, business.industry, 05 social sciences, mathematical modeling, 050301 education, regulation, 3. Good health, immune system, lcsh:RC581-607, business, complexity, 0503 education, Homeostasis
Abstract: GB and AM are supported by the Russian Science Foundation (grant 18-11-00171). VV is supported by the RUDN University program 5-100. AM is also supported by a grant from the Spanish Ministry of Economy, Industry and Competitiveness and FEDER grant no. SAF2016-75505-R (AEI/MINEICO/FEDER, UE) and the María de Maeztu Programme for Units of Excellence in R&D (MDM-2014-0370).
Published: 2020

49. Nonlocal Reaction-Diffusion Model of Viral Evolution: Emergence of Virus Strains

Author: Vladimir Popov, Vitaly Volpert, Andreas Meyerhans, Gennady Bocharov, Nikolai Bessonov, Institute for Problems of Mechanical Engineering (IPME RAS), Russian Academy of Sciences [Moscow] (RAS), Peoples’ Friendship University of Russia, Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), and Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS)
Subjects: quasi-species diversification, General Mathematics, genotype, 02 engineering and technology, 01 natural sciences, immune response, Virus, Continuous variable, 03 medical and health sciences, nonlocal interaction, VIRUS INFECTION, Virus strain, IMMUNE RESPONSE, 0502 economics and business, Reaction–diffusion system, Genotype, Computer Science (miscellaneous), virus infection, 0202 electrical engineering, electronic engineering, information engineering, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], Quantitative Biology::Populations and Evolution, 0101 mathematics, Engineering (miscellaneous), 030304 developmental biology, Physics, NONLOCAL INTERACTION, 0303 health sciences, applied_mathematics, RESISTANCE TO TREATMENT, Host (biology), lcsh:Mathematics, 05 social sciences, Dynamics (mechanics), lcsh:QA1-939, Quantitative Biology::Genomics, VIRUS DENSITY DISTRIBUTION, 3. Good health, GENOTYPE, 010101 applied mathematics, virus density distribution, Chemical physics, Interaction with host, Viral evolution, 020201 artificial intelligence & image processing, QUASI-SPECIES DIVERSIFICATION, resistance to treatment, 050203 business & management
Abstract: This work is devoted to the investigation of virus quasi-species evolution and diversification due to mutations, competition for host cells, and cross-reactive immune responses. The model consists of a nonlocal reaction&ndash, diffusion equation for the virus density depending on the genotype considered to be a continuous variable and on time. This equation contains two integral terms corresponding to the nonlocal effects of virus interaction with host cells and with immune cells. In the model, a virus strain is represented by a localized solution concentrated around some given genotype. Emergence of new strains corresponds to a periodic wave propagating in the space of genotypes. The conditions of appearance of such waves and their dynamics are described.
Published: 2019

50. A multiscale model of the CD8 T cell immune response structured by intracellular content

Author: Philippe Michel, Mostafa Adimy, Loic Barbarroux, Fabien Crauste, Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1 - Faculté des sciences et technologies (UCBL FST), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon, Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Claude Bernard Lyon 1 - Faculté des sciences (UCBL FS), and Institut Camille Jordan (ICJ)
Subjects: 0301 basic medicine, education.field_of_study, delay differential equations, Chemistry, Applied Mathematics, [MATH.MATH-DS]Mathematics [math]/Dynamical Systems [math.DS], Population, 34D20, 34K18, 34K60, 37N25, 92C37, Cell fate determination, multiscale modeling, Multiscale modeling, Cell biology, 03 medical and health sciences, 030104 developmental biology, Immune system, CD8 T cell, Antigen, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], Discrete Mathematics and Combinatorics, Cytotoxic T cell, Immune response, education, CD8, Intracellular
Abstract: International audience; During the primary CD8 T cell immune response, CD8 T cells undergo proliferation and continuous differentiation, acquiring cytotoxic abilities to address the infection and generate an immune memory. At the end of the response, the remaining CD8 T cells are antigen-specific memory cells that will respond stronger and faster in case they are presented this very same antigen again. We propose a nonlinear multiscale mathematical model of the CD8 T cell immune response describing dynamics of two inter-connected physical scales. At the intracellular scale, the level of expression of key proteins involved in proliferation, death, and differentiation of CD8 T cells is modeled by a delay differential system whose dynamics define maturation velocities of CD8 T cells. At the population scale, the amount of CD8 T cells is represented by a discrete density and cell fate depends on their intracellular content. We introduce the model, then show essential mathematical properties (existence, uniqueness, positivity) of solutions and analyse their asymptotic behavior based on the behavior of the intracellular regulatory network. We numerically illustrate the model's ability to qualitatively reproduce both primary and secondary responses, providing a preliminary tool for investigating the generation of long-lived CD8 memory T cells and vaccine design.
Published: 2018

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