Comprehensive analysis of locomotion dynamics in the protochordate Ciona intestinalis reveals how neuromodulators flexibly shape its behavioral repertoire

Vertebrate nervous systems can generate a remarkable diversity of behaviors. However, our understanding of how behaviors may have evolved in the chordate lineage is limited by the lack of neuroethological studies leveraging our closest invertebrate relatives. Here, we combine high-throughput video acquisition with pharmacological perturbations of bioamine signaling to systematically reveal the global structure of the motor behavioral repertoire in the Ciona intestinalis larvae. Most of Ciona’s postural variance can be captured by 6 basic shapes, which we term “eigencionas.” Motif analysis of postural time series revealed numerous stereotyped behavioral maneuvers including “startle-like” and “beat-and-glide.” Employing computational modeling of swimming dynamics and spatiotemporal embedding of postural features revealed that behavioral differences are generated at the levels of motor modules and the transitions between, which may in part be modulated by bioamines. Finally, we show that flexible motor module usage gives rise to diverse behaviors in response to different light stimuli.publishedVersio

Development of a micro-tissue analysis microsystem by microweve dielectric spectroscopy for the real-time evaluation of biological effects of chemical agents

La spectroscopie diélectrique micro-onde représente une technique analytique prometteuse pour de nombreux champs applicatifs, biologie cellulaire notamment. Elle permet en effet d'étudier de façon non invasive et non destructive des cellules dans leur milieu de culture grâce à leurs propriétés diélectriques. Ceci peut être réalisé à des échelles variées, que ce soit à l'échelle de l'organe ou du tissu, de suspensions de cellules jusqu'à l'analyse de cellules individuelles. En outre, il existe une échelle intermédiaire non encore abordée avec une telle technique d'analyse, celle des micro-tissus ou encore appelés sphéroïdes, modèle biologique in vitro fortement prisé car se rapprochant des problématiques rencontrées in vivo. Il s'agit d'amas de cellules agrégées entre elles, qui présentent différents gradients, tant en composition qu'environnemental. Les cellules sont en contact les unes aux autres et forment une sphère, d'où le terme de modèle 3D ou encore de sphéroïde. Les travaux de thèse visent donc à étendre les capacités d'analyse cellulaire par spectroscopie diélectrique micro-onde à cette nouvelle échelle, celle des micro-tissus. Les travaux réalisés font suite à un premier démonstrateur développé antérieurement dans l'équipe de recherche MH2F du LAAS. Ce premier micro-capteur RadioFréquence (RF) adapté à la mesure micro-onde de sphéroïdes de 300 µm de diamètre maintenu dans leur milieu de culture par un système fluidique ouvert de type réservoir avait été conçu, fabriqué et commencé à être évalué au préalable. Outre une caractérisation plus poussée de ce composant à l'aide de multiples modèles, billes de polystyrène et sphéroïdes, pour en définir les capacités et limitations de mesure, une modélisation électrique permettant d'obtenir les paramètres diélectriques de l'objet étudié a ainsi été développée. Ainsi, après avoir introduit les sphéroïdes comme modèle biologique et les différentes techniques de caractérisation existantes de ce type de modèle dans un premier chapitre, le second chapitre est dédié à l'introduction de ce premier démonstrateur et de ses capacités d'analyse. Différentes solutions ont alors été envisagées afin de pallier ces limitations, dont le fait de rendre la configuration fluidique fermée en association à un système de blocage du sphéroïde à étudier pour un positionnement précis et donc augmenter la sensibilité de détection. Le troisième chapitre de ce manuscrit présente les développements correspondants, à savoir la conception totalement revue du composant et l'optimisation de son procédé de fabrication. Une étude de sensibilité de détection suivant le dimensionnement du capteur a également été menée numériquement et vérifiée expérimentalement. La caractérisation de sphéroïdes vivants, fixés et aussi soumis à un autre agent chimique que le paraformaldéhyde (utilisé pour la fixation), la chloroquine, a permis d'évaluer le potentiel du dispositif en vue d'une application de type criblage de médicaments. Pour réaliser cette étude, une collaboration avec l'entreprise Anti-Oxydant Power a été menée. La détection par technique RF de l'impact du changement environnemental cellulaire sur sphéroïdes pour différentes concentrations d'agent chimique appliqué donne ainsi une preuve de concept importante à l'échelle de modèle 3D de l'adéquation de cette technique de mesure pour observer des transformations cellulaires et même tissulaires, en complémentarité aux outils optiques classiques, et ce de façon non invasive et non destructive et sans besoin de marquage préalable. Ces résultats ouvrent donc de nouvelles perspectives d'analyse pour évaluer la réponse biologique de tels modèles tridimensionnels soumis à des agents chimiques.Microwave dielectric spectroscopy is a promising analytical technique for many fields of application, especially cell biology. It allows to study cells in their culture medium in a non-invasive and non-destructive way thanks to their dielectric properties. This can be done at various scales, from organ or tissue, from cell suspensions to single cell analysis. In addition, there is an intermediate scale not yet approached with such an analysis technique, that of micro-tissues or spheroids, a highly prized in vitro biological model because it is close to the problems encountered in vivo. These are clusters of cells aggregated together, which present different gradients, both in composition and environment. The cells are in contact with each other and form a sphere, hence the term 3D model or spheroid. The aim of this thesis is to extend the capabilities of cellular analysis by dielectric microwave spectroscopy to this new scale, that of micro-tissues. This work follows a first demonstrator previously developed in the MH2F research team of LAAS. This first Radiofrequency (RF) microsensor adapted to the microwave measurement of spheroids of 300 µm diameter maintained in their culture medium by an open fluidic system of the reservoir type had been designed, manufactured and started to be evaluated beforehand. In addition to further characterization of this component using multiple models, polystyrene beads and spheroids, to define its measurement capabilities and limitations, an electrical model to obtain the dielectric parameters of the object under study was developed. Thus, after having introduced the spheroids as a biological model and the various existing characterization techniques of this type of model in a first chapter, the second chapter is dedicated to the introduction of this first demonstrator and its analysis capacities. Different solutions were then considered in order to overcome these limitations, including making the fluidic configuration closed in association with a blocking system of the spheroid to be studied for a precise positioning and thus increase the detection sensitivity. The third chapter of this manuscript presents the corresponding developments, namely the completely redesigned component and the optimization of its manufacturing process. A study of the detection sensitivity according to the dimensioning of the sensor has also been carried out numerically and verified experimentally. The characterization of living spheroids, fixed and also subjected to another chemical agent than paraformaldehyde (used for fixation), chloroquine, allowed to evaluate the potential of the device for a drug screening application. To carry out this study, a collaboration with the company Anti-Oxidant Power was conducted. The detection by RF technique of the impact of the cellular environmental change on spheroids for different concentrations of applied chemical agent thus gives an important proof of concept at the scale of 3D model of the adequacy of this measurement technique to observe cellular and even tissue transformations, in complementarity with the traditional optical tools, and this in a non-invasive and non-destructive way and without need for preliminary marking. These results open new analytical perspectives to evaluate the biological response of such 3D models submitted to chemical agents

Développement d'un microsystème d'analyse de micro-tissus par spectroscopie diélectrique hyperfréquence pour l'évaluation en temps réel d'effets biologiques d'agents chimiques

National audienceMicrowave dielectric spectroscopy is a promising analytical technique for many fields of application, especially cell biology. It allows to study cells in their culture medium in a non-invasive and non-destructive way thanks to their dielectric properties. This can be done at various scales, from organ or tissue, from cell suspensions to single cell analysis. In addition, there is an intermediate scale not yet approached with such an analysis technique, that of micro-tissues or spheroids, a highly prized in vitro biological model because it is close to the problems encountered in vivo. These are clusters of cells aggregated together, which present different gradients, both in composition and environment. The cells are in contact with each other and form a sphere, hence the term 3D model or spheroid. The aim of this thesis is to extend the capabilities of cellular analysis by dielectric microwave spectroscopy to this new scale, that of micro-tissues. This work follows a fi! rst demonstrator previously developed in the MH2F research team of LAAS. This first Radiofrequency (RF) microsensor adapted to the microwave measurement of spheroids of 300 µm diameter maintained in their culture medium by an open fluidic system of the reservoir type had been designed, manufactured and started to be evaluated beforehand. In addition to further characterization of this component using multiple models, polystyrene beads and spheroids, to define its measurement capabilities and limitations, an electrical model to obtain the dielectric parameters of the object under study was developed. Thus, after having introduced the spheroids as a biological model and the various existing characterization techniques of this type of model in a first chapter, the second chapter is dedicated to the introduction of this first demonstrator and its analysis capacities. Different solutions were then considered in order to overcome these limitations, including making the fluidic c! onfiguration closed in association with a blocking system of the spheroid to be studied for a precise positioning and thus increase the detection sensitivity. The third chapter of this manuscript presents the corresponding developments, namely the completely redesigned component and the optimization of its manufacturing process. A study of the detection sensitivity according to the dimensioning of the sensor has also been carried out numerically and verified experimentally. The characterization of living spheroids, fixed and also subjected to another chemical agent than paraformaldehyde (used for fixation), chloroquine, allowed to evaluate the potential of the device for a drug screening application. To carry out this study, a collaboration with the company Anti-Oxidant Power was conducted. The detection by RF technique of the impact of the cellular environmental change on spheroids for different concentrations of applied chemical agent thus gives an important proof of conc! ept at the scale of 3D model of the adequacy of this measurement techni! que to observe cellular and even tissue transformations, in complementarity with the traditional optical tools, and this in a non-invasive and non-destructive way and without need for preliminary marking. These results open new analytical perspectives to evaluate the biological response of such 3D models submitted to chemical agents.La spectroscopie diélectrique micro-onde représente une technique analytique prometteuse pour de nombreux champs applicatifs, biologie cellulaire notamment. Elle permet en effet d'étudier de façon non invasive et non destructive des cellules dans leur milieu de culture grâce à leurs propriétés diélectriques. Ceci peut être réalisé à des échelles variées, que ce soit à l'échelle de l'organe ou du tissu, de suspensions de cellules jusqu'à l'analyse de cellules individuelles. En outre, il existe une échelle intermédiaire non encore abordée avec une telle technique d'analyse, celle des micro-tissus ou encore appelés sphéroïdes, modèle biologique in vitro fortement prisé car se rapprochant des problématiques rencontrées in vivo. Il s'agit d'amas de cellules agrégées entre elles, qui présentent différents gradients, tant en composition qu'environnemental. Les cellules sont en contact les unes aux autres et forment une sphère, d'où le terme de m! odèle 3D ou encore de sphéroïde. Les travaux de thèse visent donc à étendre les capacités d'analyse cellulaire par spectroscopie diélectrique micro-onde à cette nouvelle échelle, celle des micro-tissus.Les travaux réalisés font suite à un premier démonstrateur développé antérieurement dans l'équipe de recherche MH2F du LAAS. Ce premier micro-capteur RadioFréquence (RF) adapté à la mesure micro-onde de sphéroïdes de 300 µm de diamètre maintenu dans leur milieu de culture par un système fluidique ouvert de type réservoir avait été conçu, fabriqué et commencé à être évalué au préalable. Outre une caractérisation plus poussée de ce composant à l'aide de multiples modèles, billes de polystyrène et sphéroïdes, pour en définir les capacités et limitations de mesure, une modélisation électrique permettant d'obtenir les paramètres diélectriques de l'objet étudié a ainsi été développée. Ainsi, après avoir introduit les sphéroïdes comme modèle biologique et les différentes techniques de caractérisation existantes de ce type de modèle dans un premier chapitre, le second chapitre est dédié à l'introduction de ce premier démonstra! teur et de ses capacités d'analyse. Différentes solutions ont alors été envisagées afin de pallier ces limitations, dont le fait de rendre la configuration fluidique fermée en association à un système de blocage du sphéroïde à étudier pour un positionnement précis et donc augmenter la sensibilité de détection. Le troisième chapitre de ce manuscrit présente les développements correspondants, à savoir la conception totalement revue du composant et l'optimisation de son procédé de fabrication. Une étude de sensibilité de détection suivant le dimensionnement du capteur a également été menée numériquement et vérifiée expérimentalement. La caractérisation de sphéroïdes vivants, fixés et aussi soumis à un autre agent chimique que le paraformaldéhyde (utilisé pour la fixation), la chloroquine, a permis d'évaluer le potentiel du dispositif en vue d'une application de type criblage de médicaments. Pour réaliser cette étude, une collaboration! avec l'entreprise Anti-Oxydant Power a été menée. La détection par technique RF de l'impact du changement environnemental cellulaire sur sphéroïdes pour différentes concentrations d'agent chimique appliqué donne ainsi une preuve de concept importante à l'échelle de modèle 3D de l'adéquation de cette technique de mesure pour observer des transformations cellulaires et même tissulaires, en complémentarité aux outils optiques classiques, et ce de façon non invasive et non destructive et sans besoin de marquage préalable. Ces résultats ouvrent donc de nouvelles perspectives d'analyse pour évaluer la réponse biologique de tels modèles tridimensionnels soumis à des agents chimiques

Extension of possibilities for non-invasive analysis by microwave spectroscopy of 3D biological models

International audienceMicrowave and millimeter wave dielectric spectroscopy is a powerful technique for non-ionizing and non-destructive material characterization whether solid, liquid or gaseous [1]. The applicative areas of this technology are consequently diverse, as with biology and medicine with the non-invasive detection of diseases, such as cancer notably, to agriculture with the analysis of the moisture content of granular compounds [2] or meat quality evaluation [3] for instances. Therefore, its development for the analysis of the living at the molecular, cellular levels and up to tissues is very attractive for biological researches and biomedical applications, where non-invasivity, label-free and contact-less abilities as well as in-liquid measurements constitute important leitmotivs. To enable the analysis of the traditional biological models, specific sensors enabling the microwave characterization of molecules, cells in the individual state and in suspension as well as tissues have been developed. However, one biological model was up to now not covered by this sensors' library due to its late development by biologists. It corresponds to spheroids, also called microtissues. They are constituted of an aggregate of cells, which exhibits a round shape and forms a tri-dimensional biological model. They not only include cells with different states and interactions, but also an extracellular matrix and gradients. Such 3D biological models are therefore of great interest, as they approach the complexity of living beings while avoiding in vivo animal experiments. The presentation will consequently provide a status of existing miniature microwave-based biosensors, which have been developed to characterize different biological materials, and open to the possible dielectric characterization of microtissues with dedicated sensors

A translation of Maurice Philippson's "Principles of the Electrical Resistance of Living Tissue"

M. Philippson, “Les lois de la résistance électrique des tissus vivants,” Bull. Cl. Sci. Acad. R. Belg., ser. 5, vol. 7, no. 7, pp. 387–403, Jul. 1921.The impedance of one cubic centimeter of living tissues of potato and guinea pig were measured from 500 Hz to 3 MHz. In general, the magnitude of the impedance was found to monotonically decrease with increasing frequency. This implies that the membrane of each cell in the tissue acts like a capacitor, which is in parallel with a membrane resistance. The membrane resistance and capacitance together are in series with a protoplasm resistance. Experimentally, it was observed that after the guinea pig died, the membrane resistance of its muscle decreased from 1.49 kΩ to 0.79 kΩ while the protoplasm resistance remained around 0.11 kΩ. By contrast, when the potato started to germinate, the protoplasm resistance decreased from 0.25 kΩ to 0.10 kΩ , while its membrane resistance remained around 4 kΩ

Optimisation et évaluation de la stabilité d'un biocapteur HyperFréquence dédié à la caractérisation diélectrique de sphéroïdes de 500MHz à 20GHz

National audience⎯ Les sphéroïdes, agrégats de cellules, constituent un modèle biologique intermédiaire très intéressant entre la culture cellulaire 2D sur tapis cellulaire et les approches in vivo 3D. Ils permettent en effet d'obtenir des résultats pertinents vis à vis de la complexité du vivant, tout en évitant des problèmes éthiques et le recours coûteux d'une animalerie et les limitations induites par un modèle biologique 2D plus éloigné des considérations physiologiques. Les techniques actuelles d'analyse de sphéroïdes sont essentiellement optiques. Pourtant, la caractérisation de leurs propriétés diélectriques peut apporter des informations nouvelles et complémentaires. Ainsi, un capteur hyperfréquence dédié a été développé et optimisé. Initialement avec une configuration fluidique ouverte qui induisait des dispersions dans les mesures, une structure optimisée a été élaborée avec une configuration fluidique plus évoluée, assurant une caractérisation diélectrique micro-ondes stable. La caractérisation de cette amélioration fait l'objet de cet article à l'aide de billes de polystyrène

Microwave-Based Sensor for the Noninvasive and Real-Time Analysis of 3-D Biological Microtissues: Microfluidic Improvement and Sensitivity Study

International audienceMicrowave dielectric spectroscopy of biological materials is gaining interest as it presents attractive features such as being noninvasive, rapid, label-free, and suitable for intracellular investigations, notably for biological and medical researches. Specific microwave biosensors have consequently been developed to investigate biomolecules, cells in suspension, and also tissues. A type of biosensor is, however, missing for the analysis of 3-D aggregates of cells, also called microtissues or spheroids, which constitute an intermediate biological model between 2-D cell cultures and tissues or organs. Therefore, we present a microwave-based microsensor suitable for the study of such 3-D biological models. It is composed of a coplanar waveguide (CPW) with a central capacitive gap, which allows to measure the capacitive and conductive contrasts between the studied bio-object and a reference liquid, typically the cell culture medium, in the frequency range from 500 MHz to 20 GHz. This sensor also integrates a microfluidic channel to maintain the microtissues in liquid. Two fluidic configurations are investigated, one open and one closed, the latter including a mechanical trap. The advantages of the closed configuration are then highlighted experimentally, enabling accurate and real-time microwave measurements of microtissues maintained in their culture medium and in the vicinity of the sensing area for sensitivity enhancement. In addition, an analytical study on the capacitive gap size performed with both simulations and experiments leads to an optimal gap size for sensitivity improvement. This new sensor consequently offers new noninvasive, nondestructive, and dielectric sensing possibilities for biomedical investigations such as drug screening, personalized medicine, and also fundamental research

RF sensor dedicated to the dielectric characterization of spheroids between 500 MHz and 20 GHz

International audienceTo achieve better accuracy in their investigations, biologists have recently been using threedimensional models as intermediates between 2D cell culture and the in vivo study of tissues. Some of these models are based on spheroids, which are cellular aggregates retaining many characteristics of in vivo behaviors while being still easy to use and implement in labs. To study such objects, multiples observation techniques can be used according to the objective of the study, including those using electromagnetic waves as non-destructive, non-invasive and label free analysis. Low frequencies (<1MHz) ones are currently under investigation as Electrochemical Impedance Spectroscopy. However, unlike microwaves (from 300MHz to 60GHz), they cannot penetrate the cell. Furthermore, most of the devices dedicated to microwave dielectric characterization are only focusing on cellular scales lower than spheroids (single cell, cell mats or suspensions) or on tissues and organs. In this article, a microwave spectroscopy device using a coplanar waveguide (CPW) adapted to the study of spheroids is presented with the dielectric characterization of fixed spheroids, with capacitance and conductance measurements from 0.5 to 20 GHz, aiming at filling the scale gap in the state of the art