Les mouvements cellulaires collectifs jouent un rôle fondamental dans de nombreux phénomènes biologiques (développement, régénération, cancer, etc.). Pour autant, les mécanismes régissant ces mouvements sont toujours mal connus. Nous nous proposons dans cette thèse d'étudier deux situations expérimentales mettant en jeu ces mouvements dans des monocouches cellulaires.Nous nous intéressons en premier lieu à des cellules HBEC, épithéliales mais peu cohésives. On calcule par PIV (vélocimétrie par images de particules) le champ de vitesse dans des populations de cellules déposées de manière homogène sur le substrat. On observe un ralentissement des mouvements et une progression non monotone de leur corrélation spatiale en fonction du temps. La combinaison de nos expériences, d'un modèle analytique et de simulations nous permet de conclure que cette évolution est la signature d'une transition de jamming contrôlée par la vitesse et que le ralentissement est dû à une maturation des jonctions cellule-cellule et des adhésions cellules-substrat.Nous étudions ensuite la compétition pour l'espace entre deux lignées HEK-HT, l'une normale et l'autre transformée par une mutation oncogénique RasV12. On dépose face à face les deux populations, porteuses d'un fluorophore différent, séparées par une bande de substrat libre pour les faire migrer l'une vers l'autre. On combine l’analyse des images de fluorescence aux techniques de PIV pour étudier la dynamique des deux fronts de population. Après contact et malgré un certain mélange des deux types, les monocouches forment une interface relativement bien définie qui se déplace dans le sens d'avancée du type transformé. / Collective cellular motion plays a fundamental role in several biological phenomena: development, regeneration, cancer, etc. However, the mechanisms behind this motion are still poorly understood. In this thesis, we study two experimental situations involving collective motion in cellular monolayers.We first look at HBEC cells, which are epithelial but weakly cohesive. Using particle image velocimetry (PIV), we monitor the velocity field in populations of cells homogeneously seeded on the susbtrate. We observe a slowdown in the cellular motion as its spatial correlation non-monotonically changes with time. Combining our experiments with an analytical model and simulations allows us to conclude that the system undergoes a jamming transition with speed as the main control parameter. We also show that the observed slowdown is a consequence of the maturation of cell-cell junctions and cell-substrate adhesions.We then study the competition for space between two HEK-HT cell lines, one being normal and the other being transformed by an oncogenic RasV12 mutation. The two fluorescently-labeled populations are set to migrate antagonistically towards an in-between stripe of free substrate. Through analysis of the fluorescence images and PIV methods, we study the dynamics of both population fronts. After contact, even though the two types mix to a certain extent, we observe a relatively well-defined interface, which moves towards the normal population.

Des mouvements collectifs dirigés émergent dans des systèmes très variés, depuis les assemblées synthétiques de grains vibrés jusqu'aux nuées d'oiseaux dans la nature. En essayant de comprendre le caractère générique de ces comportements dynamiques collectifs, les physiciens ont décrit les populations d'individus motiles comme des matériaux ordonnés.Dans cette thèse, nous réalisons expérimentalement des troupeaux synthétiques en laboratoire et nous explorons leurs propriétés hydrodynamiques.Nous tirons avantage du mécanisme d’électro rotation de Quincke pour motoriser des millions de colloïdes. Ces rouleurs de Quincke sont capables de s'auto-organiser pour former un troupeau appelé liquide polaire où toutes les particules se déplacent en moyenne dans la même direction.Nous montrons que la dynamique de ce liquide polaire est très bien décrite par des prédictions théoriques laissées sans preuves expérimentales depuis vingt-cinq ans. En particulier,nous démontrons que deux modes sonores s'y propagent et nous montrons que l’étude de leur spectre fournit une méthode non invasive pour mesurer ses constantes hydrodynamiques.Finalement, nous montrons que le mouvement dirigé peut être supprimé collectivement dans un troupeau dense. Un solide actif peut nucléer et se propager à contre-courant dans le liquide polaire. Nous établissons que cette solidification est une transition du premier ordre et qu'il s'agit de la première démonstration expérimentale complète d'une séparation de phase induite par la motilité des particules actives (aussi appelée MIPS). / Spontaneous collective motion arises in many different systems, from assembly of synthetic shaken grains to living bird flocks. In order to understand the generic features of those collective behaviours, physisicts describe the flocks of motile units as ordered materials. In this thesis we study experimentally the dynamics of synthetic flocks and explore their hydrodynamic properties. We take advantage of the Quincke mechanism to motorize millions of colloids. Those Quincke rollers self-organize into a polar liquid, where all the particles, on average flow in the same direction. We provide the first experimental proof that the dynamics of polar liquids is well described by a theoretical prediction established more than twenty-five years ago. In particular, we demonstrate that two sound modes propagate along all directions of the fluid and we design a non invasive spectroscopic method to measure its hydrodynamics constants.Finally, we show that collective motion can be arrested in a dense flock. An active solid can nucleate, grow and propagate in a polar liquid. We establish that this solidification is a first order phase transition and demonstrate that the formation of this active solid is the first experimental proof of a complete motility induced phase separation of active particles (also known as MIPS).

Les symétries géométriques en usage en physique nucléaire sont assez peu variées, essentiellement la symétrie de l’ellipsoïde triaxial. On propose donc une méthode rigoureuse permettant d’étudier l’évolution et la possibilité de l’existence de symétries nouvelles dont la symétrie tétraédrique. Le formalisme de l’équation de SCHRÖDINGER est replacé dans le cadre des espaces de RIEMANN. Ce formalisme est utilisé dans le contexte du noyau de l’atome où l’on applique la théorie du champ moyen alliée à l’approximation adiabatique. Le noyau est le siège de deux catégories de mouvements adiabatiquement séparés, le mouvement rapide des nucléons dans le champ moyen, et le mouvement collectif modifiant lentement le champ moyen. Le second est régi par une équation de SCHRÖDINGER collective qui prend place dans un espace dont la métrique est donnée par le tenseur de masse. L’étude de la géométrie du noyau est alors calculable à l’aide de deux grands programmes développés dans le cadre de la thèse. / The geometrical symmetries used in nuclear physics are not very diversified, essentially the symmetry of the triaxial ellipsoid. One proposes therefore a rigourous method allowing to study the temporal evolution and the possibility of the existence of new symmetries among them the tetrahedral symmetry. The formalism of SCHRÖDINGER equation is reformulated in the framework of RIEMANN’s spaces. This formalism is used in the context of the atomic nucleus where one applies the mean-field theory combined with the adiabatic approximation. The nucleus is the terrain of two types of motions adiabatically separated, the quick motion of the nucleons in the mean-field and the collective motion modifying slowly the meanfield. The second one is governed by a collective SCHRÖDINGER equation written down in a space whose metric is given by the mass tensor. The study of the nucleus geometry is then computable with the help of two big programs developped within the thesis.

Cette thèse présente des modèles bi-dimensionnels stochastiques de physique hors d'équilibre décrivant les mouvements collectifs d'animaux. Le but n'est pas la simulation réaliste mais la compréhension d'un petit nombre d'ingrédients. Dans la première partie, nous étudions la mise en mouvement d'une population uniformément répartie dans l'espace. Deux transitions, ou du second ordre , ou discontinue, sont observées et entièrement caractérisées. Au point de transition, la diffusion est anormale, ce qui nous permet de modéliser une expérience de traceurs passifs dans un bain de bactéries. La seconde partie est dédiée à l'étude des troupeaux, fixes ou mobiles, avec un ordre interne ou sans. Nous définissons chacune des phases par leurs propriétés microscopiques et macroscopiques de cohésion et de diffusion. Ainsi nous montrons que ces modèles autorisent l'existence de troupeaux cohésifs arbitrairement grands sur un espace ouvert et nous dessinons le diagramme des phases associé. Enfin, nous montrons que l'ébranlement des troupeaux déstabilise leur structure interne et produit des formes surprenantes et complexes de petits troupeaux reliés par des filaments.