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Oxybrain: Author generated code for "Modeling oxygen transport in the brain: an efficient coarse-grid approach to capture perivascular gradients in the parenchyma.", Pastor-Alonso et al. PLOS COMPUTATIONAL BIOLOGY, 2024
No full text<p>This upload contains all author-generated python code associated to the companion article (Pastor et al., Modeling oxygen transport in the brain: an efficient coarse-grid approach to capture perivascular gradients in the parenchyma, PLOS Computational Biology, 2024, doi:10.1371/journal.pcbi.101204), as well as Comsol reference simulation data used for comparison.</p>
<p>The Figures_and_Tests folder contains each of the simulations appearing on the article. Subfolders Fig_4 to Fig_6 and Fig_SA correspond the 5 functional tests establishing the capabilities of the introduced multiscale method. The rest constitute the simulations that aid in the comprehension of the observed experimental differences among the cortical layers of the brain. More details are given in the Readme.txt in each subfolder.</p>
<p>The src folder contains the corresponding sources (written in Python taking advantage of the fast libraries Numpy, Scipy, Numba for computation, and matplotlib for plotting and figure creation.) <br>The code is organized in modules, where the main files called upon execution are: <br>- Module_coupling_sparse, which contains the methods relevant for the multiscale approach developed in the article<br>- Reconstruction_extended_space, which contains the post-processing methods for the multiscale approach<br>- Testing, which contains multiple methods that perform the pre-processing, solve (via the present multiscale and previous methods (classic Finite Volume and Finite Volume with Peaceman coupling approach) and their relevant post-processing methods. It essentially manipulates the previous two objects in order to ease the scripting.</p>
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Modeling molecular transport in the brain : a coarse-grid multiscale model capturing the microscale dynamics of embedded microvascular networks
No full textGrâce à l'apport de nutriments, à l'élimination des déchets et à l'adaptation aux changements de la demande métabolique, la microcirculation cérébrale soutient l’ensemble des tâches accomplies par les cellules neuronales. À cette fin, l'organisation spatiale du réseau vasculaire, s'étendant sur différentes échelles, assure la proximité de chaque cellule avec un vaisseau capillaire. Ces vaisseaux, avec des diamètres de 1 à 10 μm, sont alimentés et drainés par les arbres artériolaires et veineux (10-100 μm et plus en diamètre). En raison de son rôle crucial dans l'homéostasie cérébrale, le système microvasculaire cérébral est intimement lié à diverses pathologies, de l'accident vasculaire cérébral aux maladies neurodégénératives, parfois en tant que cause principale. Au cours des dernières années, de nombreuses techniques d'imagerie avancée ont émergé qui permettent de décrire avec précision l'anatomie microvasculaire cérébrale. Ces techniques fournissent également des données précieuses sur la dynamique du flux sanguin et le transport moléculaire. Des modèles théoriques du transport moléculaire ont été développés en parallèle afin d'interpréter et d'élargir les connaissances fournies par ces méthodes d'imagerie. Ces modèles ont montré que les forts gradients de concentration périvasculaire, qui s’établissent à l’échelle cellulaire, ont un impact significatif sur le transport moléculaire. La prise en compte de ces gradients à l'aide d'outils numériques conventionnels représente un coût inabordable. Par conséquent, leur applicabilité est généralement limitée à quelques vaisseaux, ce qui est insuffisant pour examiner les propriétés non locales des réseaux microvasculaires qui déterminent le transport moléculaire. De nombreuses approches alternatives ont été développées, y compris dans d'autres domaines (par exemple les géosciences), pour relever des défis analogues associés à la structure mathématique sous-jacente des processus de transport autour de réseaux multi-échelles. Dans cette thèse, nous faisons d'abord le point sur ces approches existantes afin d'en adapter les ingrédients les plus pertinents à notre problème spécifique. Ainsi, nous développons un modèle multi-échelle qui répond de manière optimale aux contraintes spatiales du problème de transport moléculaire dans la microcirculation cérébrale. Pour cela, nous mettons en œuvre une approche de séparation des opérateurs dont la formulation est basée sur la troisième identité de Green. Cette base mathématique solide facilite l'évaluation précise des hypothèses sous-jacentes dans des configurations 2D (chapitre 3). Au-delà de cette analyse théorique, nous réalisons des tests numériques exhaustifs pour estimer l'erreur introduite par le modèle multi-échelle, fournissant une évaluation rigoureuse de sa précision. Par la suite, nous étendons le modèle multi-échelle à des configurations 3D permettant la simulation de grands réseaux microvasculaires, avec plus de 18000 vaisseaux (chapitre 4). Le modèle multi-échelle développé dans cette thèse améliore considérablement la capacité de simulation de transport moléculaire dans la microcirculation cérébrale, en simplifiant le problème tout en préservant une description non linéaire de la consommation métabolique dans les cellules neuronales. Ceci ouvre la voie à l’étude des propriétés non locales de la microvasculature, auparavant inaccessibles. En particulier, couplé à un modèle de transport intravasculaire plus fidèle à la liaison non linéaire de l'oxygène à l'hémoglobine, il fournira un nouvel outil de recherche pour étudier l'émergence de régions hypoxiques dans la maladie d'Alzheimer. Il pourra également servir de base pour décrire la dynamique temporelle du transport, en lien avec le couplage neurovasculaire. Ainsi, ce modèle multi-échelle surmonte les contraintes spatiales de la microvasculature, en comblant le fossé entre la description du transport à l'échelle microscopique et celle des réseaux microvasculaires.Through nutrient delivery, waste clearance, and adaptation to changes of the metabolic demand, the brain microcirculation supports the wide range of tasks performed by neural cells. For that purpose, vascular networks ensure proximity to all cells in the brain through an efficient spatial organization that encompasses a wide range of scales. Such networks include capillaries, i.e., the smallest vessels (1-10 μm in diameter), which are fed and drained by the arterial and venular trees (10-100 μm and over in diameter), respectively. Due to its critical role in brain homeostasis, the cerebral microvascular system is intricately linked to various pathologies, spanning from stroke to neurodegenerative diseases. In some cases, microvascular dysfunction is even the primary cause. In recent decades, a multitude of advanced imaging techniques have surfaced that enable accurate depictions of microvascular anatomy in the brain. These techniques also provide valuable data on blood flow dynamics and molecular transport. Theoretical models on the transport of molecules have been developed in parallel to interpret and expand the insights provided by these imaging methods. Such models have shown that fine scale features taking place at the cellular scale, notably large perivascular concentration gradients, significantly impact molecular transport. However, capturing these features using conventional numerical tools proves prohibitively expensive. As a result, their applicability is generally constrained to a mere handful of vessels, which is not enough to examine the non-local properties of microvascular networks that drive molecular transport. Numerous alternative approaches have emerged, including in other fields (e.g. geosciences) to address analogous challenges associated with the underlying mathematical structure of transport processes in embedded networks. In this thesis, we first review these existing approaches to adapt the most relevant features to our specific problem. In doing so, we develop a multiscale model that optimally tackles the spatial constraints of the molecular transport problem in the brain microcirculation. This results in an operator splitting approach firmly rooted in a sound mathematical foundation based on Green’s third identity. This aids in the precise assessment of the underlying assumptions in 2D configurations (Chapter 3). Beyond this theoretical analysis of the modeling assumptions, we perform thorough testing through numerical experimentation, which enables us to evaluate the magnitude of errors introduced by the multiscale model, therefore providing a precise estimation of the model’s accuracy. Subsequently, we extend the multiscale model to 3D configurations enabling the simulation of large microvascular networks, with more than 18000 vessels (Chapter 4). The multiscale model developed in this thesis allows to increase substantially the scope of molecular transport simulations in the brain microcirculation, simplifying the problem significantly while preserving a non-linear description of metabolic consumption in neural cells. This, in turn, will enable future investigations of the non-local properties of the microvasculature that were not accessible previously. In particular, coupled to an intravascular transport model that better represents the non-linear binding of oxygen to hemoglobin, it will provide a new research tool to further investigate the emergence of hypoxia in Alzheimer’s disease. It may also provide a basis to account for temporal dynamics, then offering a window into neurovascular coupling. Overall, the multiscale model addresses the bottleneck of spatial constraints posed by the microvasculature, thus bridging the gap between the description of transport at the microscale and at the scale of microvascular networks
Multiscale modeling of the combustion of a cloud of particles
No full textLa présence de fines particules de matières oxydables est rencontrée dans de nombreuses situations industrielles. Le risque d'explosion de poussières présente une menace constante pour les industries de transformation qui fabriquent, utilisent ou manipulent des poudres ou despoussières de matières combustibles. Dans le secteur nucléaire, les scénarios envisagés traitent,en particulier, le risque d'explosion de poussières de graphite liées aux opérations dedémantèlement des réacteurs Uranium Naturel Graphite Gaz. La problématique considérée, dans le cadre de ce travail de thèse, est celle de la combustion d'un mélange dilué gaz-particules.L'objectif de cette thèse est de développer un modèle Euler-Lagrange macroscopique permettantde prédire la vitesse laminaire de flamme qui est une des données essentielles pour les modèlesde vitesse de flamme turbulente utilisés dans l'évaluation des risques d'explosion de poussières.Dans un premier temps, les équations macroscopiques de transferts massique et thermique sont dérivées à partir de la méthode de prise de moyenne volumique. L'intérêt de l'approche utilisée ici est de proposer des problèmes de fermeture permettant d'estimer les coefficients de transfertseffectifs, tels que les coefficients d'échanges thermiques et le coefficient effectif de la réactionhétérogène. Dans un deuxième temps, des simulations Euler-Lagrange sont utilisées pourdéterminer la vitesse de flamme laminaire diphasique plane en fonction des caractéristiques du mélange gazeux et des poussières de graphite. Le modèle proposé dans ce travail est comparé au modèle Euler-Lagrange classique basé sur la résolution du problème de couche limite pourune particule isolée en milieu infini. Cette étude montre que les effets du taux de dilution et deséchanges indirects entre les particules ne sont pas systématiquement négligeables dans leséchanges macroscopiques entre les deux phases. D'autre part, la présente étude laisse entrevoir la potentialité de l'approche proposée pour les simulations détaillées de l'écoulement diphasiqueThe presence of fine particles of oxidizable materials is encountered in many industrial situations.The risk of dust explosion presents a constant threat in transformation industries that manufacture,use or manipulate powders or combustible materials dusts. In nuclear safety analysis, one of themain scenarios is the risk of graphite dust explosion that may occur during decommissioningoperations of Uranium Natural Graphite Gas reactors. The issue considered in this thesis isrelated to combustion of a dilute gas-particle mixture. This work aims at developing a macroscopicEuler-Lagrange model for predicting laminar flame velocity, which is one of the essential data forturbulent flame velocity models used to evaluate the risk of dust explosion. First, the macroscopicheat and mass transfer equations are derived using the volume averaging method. The majorinterest of the proposed approach is to provide closure problems that allow to estimate theeffective transport coefficients, such as heat exchange coefficients and the effective coefficient ofthe heterogeneous reaction. Second, Euler-Lagrange simulations are used to determine the planetwo-phase laminar flame velocity as a function of gas mixture and graphite dust characteristics.The proposed model is compared to the classical Euler-Lagrange model based on the resolutionof the boundary layer problem in the vicinity of an isolated particle in infinite medium. Results showthat the dilution rate and the indirect particle-particle exchanges are not systematically negligible inthe macroscopic exchanges between the two-phases. On the other hand, this study suggests thepotentiality of the proposed approach for detailed simulations of two-phase flo
Flow of polymer solutions through porous media : impact of pore-scale viscoelastic effects on Darcy-scale effective properties
No full textL'écoulement de solutions de polymères à travers des milieux poreux est un problème riche en mécanique des fluides qui combine la complexité des écoulements à travers des structures poreuses à celle de la rhéologie non linéaire du fluide. De tels écoulements peuvent présenter des comportements particuliers sur une large gamme d'échelles. Malgré des efforts continus, une compréhension claire des mécanismes à petite échelle impliqués et de leur lien avec les phénomènes à plus grande échelle fait toujours défaut. Dans ce travail, notre objectif est d'étudier certains des phénomènes physiques à l'échelle des pores et de les relier aux propriétés à l'échelle de Darcy. Pour ce faire, nous avons simulé l'écoulement de fluides viscoélastiques à travers des milieux poreux modèles, tels que des réseaux de cylindres en 2D ou des empilements de sphères en 3D, en résolvant, par des méthodes haute performance les modèles Oldroyd-B, FENE-P et FENE-CR. Dans la première partie, nous présentons donc un nouveau schéma de projection à grille décalée pour les écoulements viscoélastiques, ainsi que sa validation dans les cas de la cavité entraînée et de l'écoulement autour d'un cylindre confiné. Nous montrons ainsi que ce schéma possède une semi-différenciation spatiale cohérente avec une estimation de l'énergie libre, maintient la positivité du tenseur de conformation, est bien adapté au calcul haute performance (HPC), montre une bonne précision et peut être facilement utilisé pour une variété de lois constitutives viscoélastiques. Dans la deuxième partie, nous utilisons cette approche numérique pour montrer que les zones localisées de grande contrainte polymérique, appelées brins biréfringents, pilotent l'écoulement d'un fluide Oldroyd-B à travers des réseaux de cylindres en 2D. Nous constatons que ces brins génèrent en effet une réorganisation complète de l'écoulement avec une augmentation des zones de stagnation, un renforcement des chemins préférentiels et une division des canaux d'écoulement. De plus, nous montrons que cette réorganisation génère une augmentation de la dissipation visqueuse du solvant et que l'étirement des molécules de polymère dans les brins est associé à une production d'entropie. Ces deux phénomènes conduisent ainsi à une augmentation globale de la dissipation qui peut être directement liée à l'augmentation de la résistance à l'écoulement. Dans la troisième partie, nous étudions l'écoulement à travers un réseau hexagonal 2D de cylindres pour large une gamme de nombres de Weissenberg et différentes orientations du terme de forçage qui génère l'écoulement. Nous montrons que les brins biréfringents contrôlent la direction de l'écoulement moyen. Ces brins ont également tendance à adhérer aux cylindres voisins, ce qui conduit à des directions d'écoulement privilégiées et à une succession de bifurcations lorsque l'on fait varier l'angle du terme de forçage. L'effet le plus marquant est la présence d'une tristabilité associée à une hystérésis sur l'angle. Nous démontrons en outre que l'apparition d'un écoulement instationnaire est associée au mouvement des différents brins du réseau qui ouvrent et referment successivement les canaux d'écoulement. Ceci fournit une nouvelle perspective sur les écoulements viscoélastiques instationnaires à travers les milieux poreux et peut aider à comprendre la transition vers le chaos. Dans la quatrième partie, nous dérivons une forme moyennée du modèle Oldroyd-B à l'échelle de Darcy. Pour ce faire, nous utilisons une forme de linéarisation du problème, en considérant une limite très diluée, et nous décomposons le problème initial en une séquence de problèmes à différents ordres. Cette limite est très différente de la limite du faible nombre de Weissenberg car elle peut capturer la formation de brins biréfringents. Nous procédons à la moyenne spatiale de chaque problème et dérivons le modèle moyen correspondant pour obtenir une forme modifiée de la loi de Darcy.The flow of polymer solutions through porous media is a rich problem in fluid mechanics, combining the complexity of flows through porous structures with the nonlinear rheology of the fluid. Such flows can display peculiar behaviours over a range of different scales. Despite continuous efforts, a clear picture of the small-scale mechanisms involved and their link with larger scale phenomena are still lacking. In this work, our goal is to study some of the physical phenomena at pore-scale and connect these to Darcy-scale properties. To do so, we simulated the flow of viscoelastic fluids through model porous structures, such as 2D arrays of cylinders or 3D packings of spheres, using high performance computations of Oldroyd-B, FENE-P and FENECR models. In the first part, we present a new staggered projection scheme for viscoelastic flows, along with validation cases for the lid-driven cavity problem and flow around a confined cylinder. We show that this scheme has a space semi- discretization that is consistent with a free-energy estimate, maintains the positivity of the conformation tensor, is well suited to high-performance computing (HPC), shows good accuracy and can be readily used for a variety of viscoelastic constitutive laws.In the second part, we use this numerical approach to show that localized zones of large polymeric stress, known as birefringent strands, drive the flow of an Oldroyd-B fluid through 2D arrays of cylinders. We found that these strands generate a complete reorganization of the flow with an increase of stagnation zones, a reinforcement of preferential paths and a splitting of flow channels. Furthermore, we showed that this reorganization is the source of an increase in the viscous dissipation of the solvent and also that the stretching of polymer molecules in the strands is associated with entropy production. Both these phenomena lead to a global increase in dissipation that can be directly linked with the increase of flow resistance. In a third part, we study the flow through a 2D hexagonal lattice of cylinders for a range of Weissenberg numbers and different orientations of the forcing term generating flow. We show that birefringent strands control the direction of the average flow. These strands also tend to stick to neighbouring cylinders, leading to preferential flow directions and a succession of bifurcations when varying the angle of the forcing term. The most striking effect is tristability and hysteresis in the staggered configuration. We further demonstrate that the onset of unsteady flow is associated with movement of the different strands in the network that are successively opening and closing flow channels. This provides a new perspective on unsteady viscoelastic flows through porous media and may help in understanding the transition to chaos. In the fourth part, we derive an average form of the Oldroyd-B model at Darcy-scale. To do this, we use some form of linearization of the problem, considering a highly diluted limit, and decompose the initial problem in a sequence of problems at different orders. This limit is very different from the low Weissenberg number limit because it can capture the formation of birefringent strands. We proceed to averaging each problem in space and deriving the corresponding average model to obtain a modified form of Darcy’s law. 2D viscoelastic flows in arrays of cylinders have received a lot of interest, in particular in a series of recent experimental works, and they have helped us understand fundamental aspects of such flows. However, flows through 2D and 3D structures are fundamentally different. In the last part of this work, we thus present preliminary results for viscoelastic flows through 3D packings of spheres. Such structures lead to localized regions of stress that can be thought of as 1D strands and 2D hyperplanes. This raises important questions about how viscoelastic flows are affected by the dimensionality
Modelling blood flow and molecular transport in cerebral microcirculation : impact of capillary occlusions in Alzheimer’s disease
No full textLe système microvasculaire est un acteur essentiel du fonctionnement cérébral. Il est en effet responsable de l’approvisionnement des cellules en oxygène et glucose ainsi que de l’évacuation des déchets métaboliques comme le dioxyde de carbone. Ce système est composé d’une multitude de petit vaisseaux appelés artérioles, veinules et capillaires, qui sont entourés de tissu cérébral. Ces vaisseaux forment un immense réseau qui étend ses ramifications à travers tout le cerveau. A cause de son rôle prépondérant dans l’homéostasie cérébrale le système microvasculaire est impliqué dansde nombreuses pathologies, allant de l’accident vasculaire cérébral aux maladies neurodégénératives. Ces dernières décennies ont été marquées par des avancées significatives dans le domaine de l’imagerie du vivant (e.g. la microscopie multi-photonique) qui ont permis l’observation du système microvasculaire cérébral avec un niveau de précision sans précédent. Ces techniques génèrent cependant de grandes quantités de données qu’il est difficile d’analyser sans outils théoriques adaptés. C’est pourquoi, dans cette thèse, nous développons des modèles capables de décrire l’écoulement sanguin ainsi que le transport de soluté au sein de vastes réseaux microvasculaires anatomiques. La principale difficulté dans la résolution de tels problèmes, vient de la taille de ces réseaux. En effet, même s’ils ne représentent qu’une fraction du système microvasculaire, ils sont composés de plusieurs dizaines de milliers de vaisseaux et possèdent des géométries complexes. Il est donc inenvisageable de résoudre l’écoulement sanguin et le transport de soluté par le biais de méthodes classiques comme les volumes finis ou les éléments finis. Afin de surmonter cette difficulté, nous combinons une approche réseau de pores avec des méthodes de changement d’échelles (prise de moyenne volumique et développements asymptotiques) et des fonctions de Green. Cela nous permet de simplifier à la fois la description de l’écoulement sanguin et du transport de soluté tout en restant cohérent avec la physique sous-jacente. Pour nous assurer de la pertinence de ces simplifications nous validons systématiquement nos modèles en les comparant à des mesures in vitro et in vivo si elles existent et à des solutions analytiques de référence sinon. Une fois validés, nous utilisons nos modèles afin d’élucider le rôle joué par le système microvas- culaire aux stades précoces de la maladie d’Alzheimer. En effet, il a été récemment montré qu’une baisse du débit sanguin cérébral était le premier marqueur quantitatif de la maladie. Simultanément, nos collaborateurs, les professeurs Schaffer et Nishimura de l’université de Cornell, ont observé chez les souris malades qu’une faible proportion (2%-4%) des capillaires étaient obstrués par des globules blancs. En conséquence ils ont injecté un anticorps inhibant l’adhésion de ces derniers. Les vaisseaux se sont alors débloqués, entraînant une augmentation du débit sanguin ainsi qu’une amélioration des capacités cognitives chez les souris malades. Si l’on suppose qu’après l’injection le débit sanguin retrouve sa valeur de référence, on peut estimer que les occlusions capillaires réduisent de 20 % à 30 % le débit sanguin. Une si faible proportion de capillaires obstrués peut-elle avoir un impact aussi important sur le débit sanguin cérébral ? Il est difficile de répondre simplement à cette question en se fiant uniquement à l’expérience puisqu’il est quasiment impossible d’isoler un tel phénomène in vivo que ce soit chez la souris ou chez l’humain. Pour contourner ce problème nous utilisons nos modèles et simulons numériquement l’impact de ces occlusions sur le débit sanguin. Nous trouvons que 2% à 4% d’occlusions capillaires conduisent à une baisse de débit pouvant aller jusqu’à 12%, faisant de ces occlusions un mécanisme important dans l’apparition de la maladie d’Alzheimer. Pour finir, nous quantifions leurs conséquences sur les échanges moléculaires.The cerebral microvascular system is central in the remarkable machinery of the brain. It is responsible for the delivery of vital molecules (e.g. oxygen, glucose) and clearance of metabolic wastes (e.g.carbone dioxide, amyloid) to and from brain cells. Such a system is composed of small vessels (i.e. arterioles, venules and capillaries), embedded in brain tissue, which form a very large and intricate network spanning over the whole brain. Due to its critical role in brain homeostasis, the cerebral microvascular system is also involved in various pathologies, ranging from stroke toneurodegenerative diseases. During the last decades, significant advances in imaging techniques have been made, such asmulti-photon microscopy, that enabled the observation of the cerebral microvascular system with anunprecedented level of accuracy. However, these techniques generate large amounts of data that aredifficult to interpret without a proper theoretical framework. In this thesis, we address this need bybuilding computationally efficient models that accurately describe blood flow and solute transport in the cerebral microvascular system, more specifically in large anatomical networks.The biggest challenge in the resolution of blood flow and solute transport problems dwells inthe scale of such anatomical networks. Indeed, even though they represent only a fraction of thecomplete cerebral microvascular system, they are made of tens of thousand of vessels and exhibithighly complex geometries. Consequently, this prohibits the resolution of the blood flow and solutetransport problems by means of classic numerical methods, e.g. finite volume or finite elements. Toget around this computational issue, we combine a pore network approach to upscaling methods(volume averaging and multiscale asymptotics) and Green’s functions to simplify the formulation ofboth blood flow and solute transport problems while still capturing the underlying physics. In orderto assess the relevance of such simplifications we systematically validate our models against in vitroand in-vivo measurements, and against reference analytical solutions otherwise. We then use our models to investigate the role of the cerebral microvascular system during theonset of Alzheimer’s disease. Indeed, it has been recently shown that a significant decrease in the cerebral blood flow is the earliest biophysical marker of the disease. Coincidently, our collaborators,Professors Schaffer and Nishimura from Cornell University, have observed in Alzheimer’s diseasedmice that a small proportion (2% to 4%) of capillaries were abnormally occluded by white blood cells adhering to the inflammatory vessel walls. They subsequently injected antibodies inhibiting the whiteblood cells adhesion. This resulted in the unclogging of the capillary vessels, causing a substantialincrease in cerebral blood flow and ultimately leading to a significant cognitive improvement of thediseased animals. Assuming that such antibody injections restored the cerebral blood flow to itsbaseline value leads to estimate that capillary occlusions were previously reducing the cerebral blood flow by 20% to 30%. This raises the critical question: can 2% to 4% of capillary occlusions cause up to 30% reductionin cerebral blood flow? This question is challenging to answer only using experiments since it istremendously difficult to isolate the contribution of such a biophysical process in vivo in mice or humans. Instead, we use our models to numerically investigate the impact of such capillaryocclusions on cerebral blood flow. We find that 2% to 4% capillary occlusion cause up to 12% cerebral blood reduction making them a significant mechanism in the onset of Alzheimer’s disease. Finally,we go on to investigate the consequences of such occlusions on molecule exchang
Numerical and experimental modeling of two-phase flows in highly permeable porous media : upscaling from the pore scale to the Darcy scale for soil remediation
No full textLe changement d’échelle des écoulements diphasiques immiscibles dans des milieux poreux très perméables a été encore très peu étudié. Cependant, la modélisation numérique correcte de ce type d’écoulement à l'échelle macroscopique est cruciale afin d’optimiser les opérations de dépollution des eaux souterraines contaminées par des DNAPL (Dense Non-Aqueous Phase Liquid). En outre, le problème de milieux très perméables implique que certaines hypothèses valables pour le modèle macroscopique couramment utilisées doivent être réévaluées. Parmi les plus importantes, l’hypothèse de couplage mécanique négligeable entre les fluides est particulièrement discutée dans ce travail. Pour ce faire, nous avons étudié, à partir de simulations numériques, l’impact de la perméabilité d’un micro modèle (cellule de Hele-Shaw) sur les forces de trainées aux interfaces, et en particulier à l’interface entre les deux fluides. Les résultats confirment l’importance de prendre en compte le couplage entre les fluides pour modéliser la perte de pression de l’écoulement à travers la cellule. Ceci a motivé le choix de les calculer sous forme de paramètre effectifs, nécessaires pour fermer les équations macroscopiques. Une méthode basée sur une légère modification de la force volumique de chaque fluide alternativement est proposée et testée sur des écoulements diphasiques caractéristiques de milieux très perméables. La méthode proposée est confrontée aux résultats obtenus par la résolution des problèmes de fermeture, dont une modification est proposée sur la base de cette comparaison. La modification des problèmes de fermeture a permis de mieux reproduire l'écoulement et d'obtenir des résultats identiques à la méthode proposée. Enfin, des déplacements stables d’un DNAPL modèle dans un milieu homogène saturé et très perméable ont été reproduits à l’échelle décimétrique dans un dispositif de laboratoire. Les résultats expérimentaux permettent de discuter les stratégies de modélisation numérique dans ce cas simple (forme des équations, prise en compte des termes couplés, etc), puis de mener une étude paramétrique à partir du modèle numérique validé, afin d’étudier l’impact des effets gravitaires et inertiels sur un déplacement stable simplifié représentant un cas d’intrusion d’un DNAPL dans un aquifère. Les résultats indiquent que les effets inertiels ne sont probablement pas à négliger dans certaines situations particulières rencontrées en dépollution.Upscaling of immiscible two-phase flows in highly permeable porous media has been little studied so far. However, the correct numerical modelling of such flows on a macroscopic scale is crucial in order to optimise the remediation of DNAPL (Dense Non-Aqueous Phase Liquid) contaminated groundwater. In addition, the problem of highly permeable media implies that assumptions for the commonly used macroscopic model have to be re-evaluated. Among the most important ones, the assumption of negligible mechanical coupling between the fluids is particularly discussed in this work. To this end, we have studied, using numerical simulations, the impact of the permeability of a micro model (Hele-Shaw cell) on the drag forces at the interfaces, and in particular at the interface between the two fluids. The results confirm the importance of taking into account the coupling between the fluids when modelling the pressure drop of the flow through the cell. This motivated the choice to calculate them as effective parameters, necessary to close the macroscopic equations. A method based on a slight modification of the volume force of each fluid alternatively is proposed and tested on two-phase flows characteristic of highly permeable media. The proposed method is compared with the results obtained by solving the closure problems, a modification of which is proposed on the basis of this comparison. The modification of the closure problems allowed to better reproduce the flow and to obtain results identical to the proposed method. Finally, stable displacements of a model DNAPL in a saturated and highly permeable homogeneous medium were reproduced experimentally at the decimetric scale. The experimental results allow to discuss the numerical modelling strategies in this simple case (form of the equations, consideration of coupled terms, etc.), and then to carry out a parametric study based on the validated numerical model, in order to study the impact of the gravitational and inertial effects on a simplified stable displacement representing a case of intrusion of a DNAPL in an aquifer. The results indicate that inertial effects are probably not to be neglected in certain specific situations encountered in remediation
A novel experimental platform for monitoring and imaging bacterial biofilm growth in porous media flows
No full textLes biofilms sont des communautés microbiennes complexes qui se développent souvent sur des surfaces solides dans une matrice polymère auto-sécrétée. Les mécanismes contrôlant le développement des biofilms dans les milieux poreux 3D sont difficiles à étudier en raison de la complexité structurelle et de l'opacité de ces milieux, mais aussi en raison de la multiplicité des facteurs couplés qui contrôlent le développement des biofilms, tels que la disponibilité des nutriments et de l'oxygène, le débit, les communications et les contraintes de cisaillement. Une technologie de micro-bioréacteur pour la croissance de biofilms dans des substrats poreux avec des architectures 3D contrôlées et des pores de plusieurs centaines de micromètres a été développée. Elle combine la fabrication additive et la microfluidique, fournissant une plateforme pour étudier la dynamique de croissance des biofilms dans les milieux poreux dans un environnement contrôlé. Le développement du biofilm de P. aeruginosa dans ce système montre que la croissance du biofilm dans les milieux poreux sous écoulement est un processus dynamique, avec des fluctuations temporelles persistantes pour la perte de pression et la consommation d'oxygène. La tomographie à rayons X combinée à des simulations numériques montrent que la distribution spatiale du biofilm dans le milieu poreux est hétérogène et qu'il a tendance à se développer dans les zones à forte contrainte de cisaillement. De plus, des résultats prometteurs ont été obtenus en utilisant des nanoparticules d'or (AuNPs) comme agent de contraste pour la visualisation du biofilm par CT. La forte atténuation des rayons X des AuNPs et leur polyvalence dans la fonctionnalisation de surface offrent des possibilités de coloration ciblée des systèmes biologiques, débloquant potentiellement de nouvelles applications biotechnologiques dans l'imagerie des biofilms en 3D.Biofilms are complex microbial communities that grow on solid surfaces in a self-secreted polymer matrix. The mechanisms controlling biofilm development in 3D porous media are difficult to study due to the structural complexity and the opacity of these media but also due to the multiplicity of coupled factors that control biofilm, such as nutrient/oxygen availability, flow rate, communications and shear stress. A micro-bioreactor technology for growing biofilms in porous substrates with controlled 3D architectures and pores of several hundreds of micrometers has been developed. It combines additive manufacturing with microfluidics, providing a platform to study biofilm growth dynamics in porous media under a control environment. Development of P. aeruginosa biofilm in this system shows that biofilm growth in porous media under flow is a dynamic process, with persistent temporal fluctuations in pressure drop and oxygen consumption. X-ray tomography scans combined with CFD simulations show that the spatial distribution of biofilm within the porous medium is heterogeneous and tends to grow in high shear stress areas. In addition, promising results have been obtained in using gold nanoparticles (AuNPs) as a contrast agent for biofilm visualization with CT. The high X-ray attenuation of AuNPs and their versatility in surface functionalization offer opportunities for targeted staining of biological systems, potentially unlocking new biotechnological applications in 3D biofilm imaging
Variations on the Author
Full text link“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
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