La contraction musculaire en quatre échelles
Habilitation à Diriger les Recherches
This website is the HTML version of Dr. Matthieu Caruel’s Research Habilitation (Habilitation à Diriger les Recherches), evaluated on January 14th 2025 in Créteil by the jury composed of
| Abdul Barakat Ecole Polytechnique |
Reviewer |
| Alf Månsson Linæus University |
Reviewer |
| Gudrun Schappacher-Tilp FH Joanneum |
Reviewer |
| Sabine Bensamoun Université Technologique de Compiègne |
Examiner |
| Giuseppe Zurlo Univertiy of Galway |
Examiner |
| Jocely Etienne Université Grenoble Alpes, CNRS |
President |
| Vittorio Sansalone Université Paris-Est Créteil |
Referent |
CC BY-NC-SA 4.0, ©️ Matthieu Caruel, 2025
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Allaire, J., Teague, C., Scheidegger, C., Xie, Y., Dervieux, C. and Woodhull, G. (2024). Quarto (Version 1.6) [Computer software]. https://doi.org/10.5281/zenodo.5960048
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To cite this work:
M. Caruel, “La Contraction Musculaire en Quatre Echelles,” Habilitation à Diriger les Recherche, Université Paris-Est Créteil, Créteil, 2025.
@phdthesis{caruel-2025a,
type = {Habilitation {\`a} {{Diriger}} Les {{Recherche}}},
title = {La {{Contraction Musculaire}} En {{Quatre Echelles}}},
author = {Caruel, Matthieu},
year = {2025},
address = {Cr{\'e}teil},
school = {Universit{\'e} Paris-Est Cr{\'e}teil}
}Abstract
This work presents a synthesis of the scientific research conducted by Matthieu Caruel between 2008 and 2025. The research focuses on multiscale modeling of muscle contraction, driven by the development of numerical simulation tools for health applications. Starting with the macroscopic description of the tissue within the framework of continuum mechanics, the author introduces the concept of active stress generated by molecular motors. This interaction can be represented by various mathematical models, formulated either in a deterministic framework of population dynamics or in a stochastic framework of Markov processes.
M. Caruel then highlights the role played by mechanical interactions induced by anatomical structures at the micrometric scale in the emergence of collective effects within populations of interacting proteins. These findings suggest a reformulation of the classical modeling framework based so far on a direct coupling between the molecular scale and the tissue scale.
The author emphasizes the necessity of such theoretical developments by presenting various experimental results that have demonstrated the fundamental role of supramolecular mechanical interactions, at the so-called mesoscopic scale, in the physiological processes regulating contraction.
The manuscript is organized as follows. In Chapter 1, we start by giving the essential background on muscle contraction necessary to understand the positioning of the research work and its goals. A macroscopic model of the muscle tissue is presented in Chapter 2, with an emphasis on reduced formulations based on simplified geometries for modeling a muscle fiber and a cardiac ventricle. The force generation process by molecular motors is described in Chapter 3, where we present the classical chemical-mechanical population dynamics approach and more recent stochastic formulations. At the microscale, molecular motors operate in small groups called contractile units. Chapter 4 is dedicated to the modeling of the mechanical coupling of the molecular motors at this scale and its consequences on the force production. The structures connecting contractiles units to form muscle fibers within the tissue are introduced in Chapter 5. This chapter addresses the question of the mechanical pathways involved in the regulation of muscle contraction.
All chapters are organized similarly. We start by an introduction providing the technical background and presenting the research challenges, before summarizing M. Caruel’s contributions with references to the corresponding publications. A list of perspectives is established at the end of each chapter. Chapter 6 recapitulates these perspectives and briefly discuss potential applications of our work.
Résumé
Cet ouvrage présente une synthèse des travaux scientifiques menés par Matthieu Caruel entre 2008 et 2025. Ces recherches portent sur la modélisation multi-échelle de la contraction musculaire, motivées par le développement d’outils de simulation numérique pour des applications dans le domaine de la santé. En partant de la description macroscopique du tissu dans le cadre de la mécanique des milieux continus, l’auteur introduit la notion de contrainte active générée par les moteurs moléculaires. Cette interaction peut être représentée par divers modèles mathématiques, formulés soit dans un cadre déterministe de dynamique des populations, soit dans un cadre stochastique de processus de Markov.
M. Caruel met ensuite en lumière le rôle des interactions mécaniques induites par les structures anatomiques à l’échelle micrométrique, dans l’émergence d’effets collectifs au sein des populations de protéines interagissantes.
Ces résultats suggèrent une reformulation du cadre classique de modélisation, fondé jusqu’à présent sur un couplage direct entre l’échelle moléculaire et l’échelle tissulaire.
L’auteur souligne la nécessité de ces développements théoriques en s’appuyant sur divers résultats expérimentaux ayant démontré le rôle fondamental des interactions mécaniques supramoléculaires, à l’échelle dite mésoscopique, dans les processus physiologiques régulant la contraction.
Le manuscrit est organisé comme suit. Dans le Chapitre 1, nous présentons les notions essentielles sur la contraction musculaire nécessaires pour comprendre le positionnement et les objectifs des travaux de recherche.
Un modèle macroscopique du tissu musculaire est introduit dans le Chapitre 2, avec une attention particulière portée sur des formulations simplifiées pour modéliser une fibre musculaire et un ventricule cardiaque. Le processus de génération de force par les moteurs moléculaires est détaillé dans le Chapitre 3, où nous exposons l’approche classique de dynamique chimique-mécanique des populations ainsi que des formulations stochastiques plus récentes. À l’échelle microscopique, les moteurs moléculaires fonctionnent en petits groupes appelés unités contractiles. Le Chapitre 4 est consacré à la modélisation du couplage mécanique des moteurs moléculaires à cette échelle et à ses conséquences sur la production de force. Les structures reliant les unités contractiles pour former des fibres musculaires au sein du tissu sont introduites dans le Chapitre 5. Ce chapitre traite des voies mécaniques impliquées dans la régulation de la contraction musculaire.
Tous les chapitres suivent une organisation similaire.
Ils commencent par une introduction fournissant le contexte technique et exposant les défis de la recherche, avant de résumer les contributions de M. Caruel avec des références aux publications correspondantes.
Une liste de perspectives est établie à la fin de chaque chapitre. Chapitre 6 récapitule ces perspectives et discute brièvement les applications potentielles de ces travaux.