Liaison avec le programme

On se situe dans la partie du programme de SVT de Première : Le fonctionnement du système immunitaire humain et plus particulièrement dans la sous-partie : L’utilisation de l’immunité adaptative en santé humaine.
Les élèves auront préalablement étudié les événements caractéristiques de l’immunité adaptative. La rencontre entre un antigène et les cellules de l’immunité adaptative qui lui sont spécifiques déclenche la sélection clonale, l’amplification clonale et la différenciation en cellules effectrices.

Extrait programme (BO)

Mise en situation et recherche à mener

Activité

MATÉRIEL ET RESSOURCES

Le réel : faits expérimentaux
Schéma exprimant l’hypothèse avancée par le premier étudiant
Schéma exprimant l’hypothèse avancée par le second étudiant
Matériel	- Logiciel NetBioDyn ou logiciel Edu’modèles – Modèle numérique modifiable de suivi des effectifs de cellules et molécules lors d’une première injection de globules rouges de mouton à une souris.

DÉROULEMENT DE L’ACTIVITÉ

Premier temps : la conception d’une stratégie pour résoudre la situation problème

UN EXEMPLE DE PROPOSITION :
— > Modifier le modèle numérique proposé en l’adaptant aux hypothèses proposées par chaque étudiant ;
— > Faire tourner les deux modèles ainsi obtenus ;
— > Comparer les résultats de chacune des deux simulations aux variations réelles des quantités d’anticorps mesurées lors de la deuxième rencontre avec l’antigène ;
— > L’hypothèse à retenir sera celle associée à la simulation dont les résultats sont semblables aux variations effectivement mesurées.

Deuxième temps : la mise en œuvre d’un protocole de résolution

Matériel disponible et protocole d’utilisation du matériel
Ressource	Entités et comportements paramétrés dans le modèle « souris1injGRM.nbd »
Matériel	- Logiciel NetBioDyn ou logiciel Edu’modèles, et fiches techniques pour construire un modèle ou utiliser un modèle (dans le cas du choix de NetBioDyn) NetBioDyn est un environnement permettant la modélisation et la simulation de mécanismes biologiques complexes. Dans NetBioDyn, un agent est une entité informatique représentant une entité biologique au travers de comportements et d’interactions. Tous les agents sont plongés au sein d’un même environnement afin d’étudier et d’observer l’évolution du système biologique modélisé au cours du temps. NetBioDyn permet de faire tourner des modèles ou de créer de nouveaux modèles. – Modèle « souris1injGRM » : modèle numérique de suivi des effectifs de cellules et molécules lors d’une première injection de globules rouges de mouton à une souris. Il s’agit d’un pré modèle, à modifier dans le cadre de chaque hypothèse. – Données expérimentales : fichier « expérience_souris_2injections_GRM.xls » des résultats de la mesure de la quantité d’anticorps anti-GRM chez une souris ayant subi deux injections de GRM
Protocole	- Construire, à partir du pré modèle "souris1injGRM.nbd", un modèle incluant la réponse à une deuxième injection de GRM selon l’hypothèse du premier étudiant. Faire fonctionner ce modèle en simulant les deux injections et comparer aux variations réelles de la quantité d’anticorps anti-GRM (données expérimentales). - Construire, à partir du pré modèle "souris1injGRM", un modèle incluant la réponse à une deuxième injection de GRM selon l’hypothèse du second étudiant. Faire fonctionner ce modèle en simulant les deux injections et comparer aux variations réelles de la quantité d’anticorps (données expérimentales)

UN EXEMPLE DE DÉROULEMENT

Autour de l’hypothèse proposée par le premier étudiant

Le schéma exprimant l’hypothèse avancée par le premier étudiant postule que les plasmocytes ont une longue durée de vie : il faut donc choisir "0" au lieu de "90" comme demi-vie de l’entité "plasmocyte", dans le menu définissant les entités. On doit également paramétrer la deuxième injection de GRM (= création de l’entité "GRMinj2") et l’activation des lymphocytes B spécifiques lors de la 2ème injection de GRM :

Il reste à intégrer ces modifications dans le pré modèle, en utilisant le didacticiel du logiciel NetBioDyn en mode construction de modèle.

Voici une illustration des opérations à réaliser :

– déclaration de l’entité "GRMinj2" :

– modification de la demi-vie de l’entité "plasmocyte" :

– création du comportement d’activation des lymphocytes B spécifiques lors de la deuxième injection de GRM :

Au terme de ces opérations, les élèves auront finalement créé un modèle numérique "hypoth1souris2injGRM".

La mise à l’épreuve du modèle numérique

Une simulation réalisée avec le modèle numérique, incluant une première injection de GRM à t=0 et une deuxième injection de GRM à t=30 jours donne les résultats suivants :

Or les résultats expérimentaux sont les suivants :

Autour de l’hypothèse proposée par le second étudiant

Le schéma exprimant l’hypothèse avancée par le second lycéen montre deux particularités, non prévues dans le pré modèle, qu’il faudra donc intégrer à la construction du modèle numérique :

(1) Il y a production de cellules mémoires à durée de vie longue lors de la première rencontre avec l’antigène.

(2) Les cellules mémoires formées lors de la première rencontre sont activées lors de la deuxième rencontre avec l’antigène. Elles se multiplient d’une part pour se différencier en cellules effectrices, d’autre part pour augmenter le pool de cellules mémoires.

Les modifications à apporter au pré modèle pour modéliser la deuxième injection de GRM selon l’hypothèse du second étudiant sont donc les suivantes :

Il reste à intégrer ces modifications dans le pré modèle.

Voici une illustration de quelques unes des opérations à réaliser :

– déclaration de l’entité "LBmémoire" :

– déclaration du comportement de production des LB mémoires à partir des LB activés :

Au terme de l’ensemble des opérations prévues, les élèves auront finalement créé un modèle numérique "hypoth2souris2injGRM".

La mise à l’épreuve du modèle numérique

Une simulation réalisée avec le modèle numérique, incluant une première injection de GRM à t=0 et une deuxième injection de GRM à t=30 jours donne les résultats suivants :

Or les résultats expérimentaux sont les suivants :

_{UNE COMMUNICATION POSSIBLE DES RESULTATS :}

**L’exploitation des résultats obtenus pour répondre au problème
On sait d’après les données expérimentales que la réponse secondaire à un même antigène est plus précoce, plus ample et plus durable que la réponse primaire.
On observe que la simulation numérique selon l’hypothèse du second étudiant montre une bonne adéquation entre la réponse secondaire calculée par le modèle et celle mesurée (= le réel). En revanche, la simulation numérique selon l’hypothèse du premier étudiant montre, par rapport à la réponse mesurée (= le réel) une trop grande durabilité de la réponse primaire et une amplitude insuffisante de la réponse secondaire.
On conclut que le second étudiant a raison.

Remarques et liens utiles

– La conception puis la construction des modèles numériques étant chronophage, il peut être intéressant de répartir le travail entre différents groupes d’élèves : chaque groupe se consacre à une hypothèse, confectionne le modèle associé et le teste.

–  Variante  : On peut aussi imaginer une version en "pédagogie inversée" de l’activité présentée dans cet article. Dans cas, on donne aux élèves le modèle "papier" des scientifiques (il s’agit bien sûr du schéma de l’hypothèse du second étudiant), le pré modèle et les données expérimentales. On demande alors aux élèves de conforter le modèle des scientifiques, selon une consigne du type : "démontrer à l’aide d’une modélisation numérique que les résultats expérimentaux plaident en faveur du modèle de mise en place d’une mémoire immunitaire proposé par les scientifiques" . Les élèves sont ainsi invités à construire à l’aide du modèle des scientifiques un modèle numérique incluant la modélisation de la réponse secondaire, puis à éprouver le modèle construit en le confrontant aux résultats expérimentaux.

– Pour aller plus loin dans les mécanismes de la modélisation multi-agents opérée avec le logiciel : voir un article en ligne rédigé par Pascal BALLET, concepteur du logiciel NetBioDyn

– Pour aller plus loin sur la notion de mémoire immunitaire : ressources du site ACCES

Auteur de cet article : Anne FLORIMOND, professeure de SVT au lycée RICHELIEU (Rueil-Malmaison), professeure associé aux travaux de l’Ifé (Equipe ACCES), et professeure formateur (PAF Versailles) .

Remerciements à Laurent Guerre pour sa relecture, son aide et les conseils apportés.