Compétences
- Objectifs
- Fondements scientifiques
- Domaines d’application
- Logiciels
- Contrats
- Thèses en cours
- Charges administratives
- Publications
-
Le projet In Virtuo comporte 19 membres dont 2 PR, 7 MCF, 1 PAST, 5 Doctorants, 2 Post-doctorants.
Modélisation de systèmes physiologiques humains, Modélisation d'écosystèmes, Validation mathématique de modèles individu-centrés, Systèmes multi-agents, Couplage de systèmes dynamiques.
L'objet de l'équipe In Virtuo est de développer une recherche interdisciplinaire en informatique et en mathématiques, pour des applications dans les domaines de la bioinformatique et de la modélisation de systèmes physiologiques et physiques complexes. Les travaux menés au sein de l'équipe peuvent se décliner selon les objectifs suivants :
- Proposer des simulateurs et des plateformes logicielles de réalité virtuelle, dédiés en particulier aux praticiens hospitaliers, en reproduisant les conditions de l'expérimentation in vitro.
- Proposer des simulateurs pour la compréhension de phénomènes physiques ou biologiques complexes, notamment lorsque l'approche à base de systèmes différentiels ou aux dérivées partielles n'est pas idoine. Les simulateurs développés sont pour la plupart basés sur la réification des interactions entre entités peuplant le système simulé.
-Ce dernier paradigme de réification des interactions conduit au développement de modèles informatiques originaux, les systèmes multi-interactions. Ces systèmes font usage d'algori-thmes stochastiques particuliers, et une part importante du travail de recherche est de valider ces algorithmes, tant du point de vue mathématique (convergence, stabilité, etc.) que du point de vue de leur bonne adéquation aux modèles physiques.
-Enfin, un axe de recherche plus formel est le développement de modèles mathématiques pour la compréhension de systèmes à interactions et échelles multiples, en particulier par l'étude de la synchronisation de systèmes dynamiques couplés ou, a contrario, de l'individuation de données issues de populations.
Cette approche basée sur les systèmes multi-agents permet de simuler des phénomènes biologiques complexes de manière plus naturelle que les simulations numériques traditionnelles, et surtout d'apporter des éléments de réponses là où les approches classiques échouent.
-Professeurs : 2
-Maître de conférences : 6
-Ingénieurs de recherche : 1
-Ingénieurs : 1
-Postdocs : 2
-Past : 1
-Doctorants : 5
-Total : 18
-Revues internationales avec comité de lecture& : 7
-Revues nationales avec comité de lecture : 1
-Conférences invitées internationales : 1
-Conférences internationales avec comité de lecture : 16
-Conférences nationales avec comité de lecture : 6
-Chapitres d'ouvrage : 1
-Thèses : 4
Les travaux de l'équipe s'articulent autour de deux axes principaux, que l'on peut schématiser sous la forme d'un axe biologique et d'un axe physique, même si ces deux axes sont fortement connectés par les méthodes communes utilisées, tant en modélisation qu'en simulation. Un dernier axe de recherche concerne en conséquence les travaux de validation des approches employées.
Nous abordons la modélisation de systèmes physiologiques à travers deux approches principales : la modélisation inter-cellulaire et la modélisation intra-cellulaire. La modélisation inter-cellulaire concerne l'étude des interactions entre cellules dans un milieu composé de cellules, de molécules et d'enzymes. La modélisation intra-cellulaire permet une meilleure compréhension du comportement interne de la cellule via une modélisation des voies de transductions (c'est-à-dire de toutes les étapes allant de la réception d'un signal jusqu'à la production de substances). Afin de réduire la complexité algorithmique de nos applications, nous utilisons les concepts d'organisation, d'interaction et de composant présents en systémique. Ce type d'architecture nous permet de créer un cadre générique de développement simple et réutilisable dans de nombreux domaines. Nos travaux portent principalement sur les domaines de l'hématologie, de la cancérologie et de l'allergologie.
Ces travaux de recherche concernent essentiellement les systèmes possédant différentes échelles d'observation et de modélisation. Il s'agit d'étudier les liens et les interactions entre de telles échelles. Nous étudions les notions d'émergence et d'auto-organisation sur des modèles de sociétés d'insectes, donnant un exemple d'auto-organisation fonctionnelle dénuée d'intelligence collective. Nous avons élaboré un modèle mathématique de tissus cellulaires (couplages tissulaires) permettant de prouver des résultats généraux sur le phénomène de synchronisation (verrouillage des fréquences) dans des populations cellulaires finies ou continues.
Les modèles de tissus cellulaires ont permis de développer une méthode originale de traitement des séries temporelles issues de puces à ADN en vue de l'exploitation de celles-ci. Les puces à ADN sont utilisées pour déduire des propriétés d'expression génétique à l'échelle de la cellule, alors qu'elles n'expriment que les profils d'expression à l'échelle de la population. La méthode développée permet, partant de la donnée d'un faible nombre de gènes dont on connaît les profils à l'échelle de la cellule ET de la population, de déduire les profils cellulaires pour l'ensemble des gènes dont on connaît les séries temporelles.
La modélisation et la simulation de systèmes biologiques à l'aide de systèmes multi-agents requièrent à la fois des paradigmes de programmation spécifiques et des méthodes de programmation efficaces. Dans ce cadre, nous développons des systèmes multi-agents stochastiques évoluant dans des matrices à 2 ou 3 dimensions. Les agents sont de formes, de tailles et de comportements différents, allant du simple cube repéré par une position et un type (simulateur netBioDyn) au modèle cellulaire de Potts caractérisé par une surface et un volume cible et capable de minimiser son énergie pour son déplacement (simulateur à base de MotphoPotts). De plus, nous utilisons la programmation multicoeurs afin d'utiliser au mieux la puissance de calcul mise à notre disposition soit dans les microprocesseurs classiques, soit dans les coeurs des microprocesseurs graphiques. Cette parallélisation est facilitée du fait que nos agents sont placés dans des matrices. Les domaines d'application sont axés sur la compréhension des mécanismes cellulaires. Citons par exemple la simulation de la migration cellulaire, l'étude des origines de la vie, la formation - dislocation du réseau mitochondrial ou la reproduction in-virtuo de réactions enzymatiques intervenant dans la chaîne respiratoire.
Pour étudier les formes engendrées par un système multi-agent, et avoir un contrôle sur leur croissance, et sur la convergence du système vers une forme stable, il faut être capable de formaliser dans un espace métrique adéquate une métaphore de la dynamique cellulaire a?n d’étudier mathématiquement les conditions de croissance et de stabilité d’une forme. En mathématiques, les outils de l’analyse classique, univoque (système dynamique, équation différentielle), ne sont pas adaptés pour étudier une cellule qui croît et se multiplie. C’est ce qui a motivé le développement de l’analyse morphologique et mutationnelle. Cette théorie offre un cadre mathématique adapté à l'étude des problèmes de morphogénèse, et offre une boîte à outils permettant d'étudier l'évolution de systèmes dynamiques multivoques. Elle permet de rechercher les conditions (décisions, états) dans lesquelles les contraintes opérationnelles (comme celles induites par le contexte ou l'utilisation des ressources) seront toujours satisfaites et donc dans lesquelles le système pourra fonctionner de manière durable. Un « laboratoire virtuel » a été implémenté pour tester cette dynamique multivoque et pour tester si un système engendré par des équations morphologiques régulé est ”viable” dans un environnement donné.
Ce projet concerne le développement d'une plate-forme de modélisation de l'environnement marin observé par des capteurs électromagnétiques : cet outil commun contribuera au développement des technologies et des services nécessaires aux différents modules qui constituent le programme. Il permettra de fédérer les compétences nécessaires à la modélisation des interactions des différents capteurs avec le milieu observé, de réduire les coûts d'investissement en matériel et en R&D et d'agréger les compétences sur un seul outil afin d'obtenir le réalisme nécessaire pour les modèles. La finalité du projet consiste à développer une plate-forme de modélisation de l'environnement pour une simulation de systèmes de surveillance maritime. C'est un thème très pluridisciplinaire qui s'appuie sur des domaines aussi variés que l'interaction onde-matière, le traitement de l'information ou la géophysique. Début 2010, nous avons généré la version V0 du simulateur MODENA, intriquant des modèles électromagnétiques, océanographiques et hydrodynamiques.
Un autre aspect de nos activités concerne une étude théorique et pratique du paradigme individu centré. Dans ce cadre, nous avons travaillé sur le projet virtuOcéan, en collaboration avec l'IFREMER et l'Institut Français de la Biodiversité, pour lesquels nous devions construire un simulateur multi-agents permettant la simulation individu-centrée de modèles écologiques et économiques provenant du Golfe de Gascogne. Nous travaillions en interaction avec des écologistes pour modéliser le peuplement de poissons du Golfe de Gascogne et simuler son évolution afin de comprendre l'influence du réchauffement climatique et des activités de pêche sur l'écosystème.
Nous travaillons sur deux objectifs principaux. D'une part, la validation formelle des méthodes informatiques utilisées au sein de l'équipe In Virtuo, basées sur les systèmes multi-agents individu-centrés. Nous démontrons la convergence d'algorithmes faisant intervenir les agents par itérations chaotiques et asynchrones, algorithmes permettant à l'utilisateur de modifier le système en cours d'exécution. Les démonstrations valident le concept d'agent-interaction, plus précisément d'agent-interface et d'agent-réaction. Les travaux actuels portent sur l'étude de la stabilité absolue desdits algorithmes. Par ailleurs, nous avons développé des modèles formels pour l'étude de la dynamique des populations au sein d'écosystèmes. Ces modèles, probabilistes autant qu'analytiques, portent par exemple sur le tri du couvain chez certaines espèces de fourmis, ou l'évolution conjointe de populations de type proies-prédateurs, toujours d'un point de vue individu-centré. Enfin, comme développé supra, les travaux les plus récents portent sur l'étude qualitative des systèmes dynamiques couplés.
Nous mettons en oeuvre un procédé de simulation qui permet un équilibrage de charge dynamique entre les différents processeurs/coeurs d'une machine tout en respectant des critères d'affinité entre entités simulées afin d'optimiser l'utilisation des mémoires caches des processeurs. Les travaux portent ainsi principalement sur la discrimination des interactions potentielles et sur la politique d'allocation de la mémoire.
La nature biologique des systèmes modélisés au sein de l'équive In Virtuo a conduit à explorer la notion de réification des interactions entre les composants de systèmes biologiques complexes. Ces travaux ont opéré un glissement d'une approche de la modélisation initialement individus centrée vers une approche dite interactions centrée. Les systèmes multi agents conviennent à la modélisation en RV et à l'approche individus centrée, mais se révèlent moins adaptés à l'approche interactions centrée. Nous développons donc le paradigme de système multi interactions (SMI) qui complète l'approche SMA. Les SMI reposent sur les principes d'autonomie des modèles numériques et des systèmes biologiques. Ils permettent l'accès à la sémantique du modèle en cours d'exécution, ce qui en facilite l'observation, la modification et ainsi l'expérience. L'outil RéISCOP facilite la mise en oeuvre des SMI. C'est une bibliothèque C++ qui se base sur la plateforme ARéVI. Elle implémente un méta-modèle basé sur les notions de réification des interactions, de structure, de constituant, d'organisation et de phénomène. Elle fournit également une boîte à outils qui permet de construire rapidement des modèles biologiques ou physico-chimiques, et facilite ainsi l'opérationnalisation des modèles et la réutilisation de code. RéISCOP permet de réaliser des applications dans les domaines de l'hématologie (CHU de brest), l'étude de l'athérosclérose (ANR BIMBO), l'oncologie du myélome (Canceropôle Grand ouest), la toxicologie (UBO), l'allergologie (CHU de Brest).
Les travaux du projet In Virtuo ont donné lieu à la réalisation d’un logiciel de modélisation et de simulation SimBioDyn. Ce logiciel est disponible sur Internet à l'adresse http://www.SimBioDyn.net.
Au niveau national, nous participons et avons participé à plusieurs projets :
RNSC 2009-Titre : préBioDyn Expérimentation numérique et phénomènes émergents en chimie prébiotique
ANR BIMBO (2009-2011) Projet de modélisation de l'athérosclérose, piloté par l'institut de médecine théorique de Lyon. Gireg Desmeulles est actuellement postdoctorant sur cet ANR. L'objet global de BIMBO est la construction d'un modèle d'Impact de Santé Publique des médicaments antihypertenseurs, du gène à la population.
Projet MODENA (2008-2011) (Modélisation de l'Observation à Distance de l'ENvironnement mAritime) : Labellisé par le pôle Mer, ce projet est piloté par l'ENST (R. Garello) et fait intervenir les équipes et les entreprises suivantes : TAMCIC/LEST (ENST/UBO), IETR (Rennes 1), IREENA (Nantes), E3I2 (ENSIETA), LISYC (UBO/ENIB/ENSIETA), IFREMER, ARTAL, SATIMO, BOOST, MAREE et TAS. Voir description supra.
ANR Jeunes chercheurs OTOCAL, 2006-2008 Le thème de ce projet étaient l'otolithométrie au service de l'écologie marine: approche mécaniste et modélisation numérique de l'archive biologique. Les partenaires de ce projet étaient : le centre IFREMER de Brest, le laboratoire de Biologie Marine de l'Université de Bretagne Occidentale, le laboratoire RESO de l'ENIB, et l'équipe In Virtuo.
- ACI IMPBIO, Projet 2004-8-MITOSCOP : Modélisation du métabolisme mitochondrial - Polymorphisme et distribution dans les cellules de l'ADN mitochondrial, construction d'une base de connaissances sur le métabolisme mitochondrial, simulation dynamique de processus biologiques, décrits par Biopsi, au moyen du logiciel SimBioDyn.
ANR Chaloupe (2006-2008) : CHAngement gLObal, dynamiqUe de la biodiversité marine exploitée et viabilité des PEcheries. - Les impacts de la pêche et du changement climatique sont aujourd'hui considérés comme deux facteurs clés en cause dans l'évolution des peuplements marins. Cette évolution affecte les pêcheries, dont le développement s'opère dans un contexte de défaillance de la régulation de l'accès aux ressources conduisant à une surcapacité de pêche, d'accroissement de la demande de produits de la mer et d'ouverture des marchés. A l'échelle régionale, l'amplitude des changements observés, et le poids relatif des différents facteurs, restent cependant à évaluer. Ceci constituait l'objectif principal du projet CHALOUPE lancé en février 2006.
Contrat STIC-INSERM, 2003-2004 : Titre du projet : Mitochondrie virtuelle : Modélisation du métabolisme mitochondrial et de sa régulation. Application aux pathologies mitochondriales.
Projet MERULE, 2009-2010 : Financement IFR ScinBioS, modélisation mathématique de la croissance et de l'activité enzymatique de Serpula Lacrymans.
Vincent RODIN est Responsable du Master Recherche Informatique « Modèles et Méthodes pour les Systèmes Intelligents Répartis et la Réalité Virtuelle » cohabilité entre l'Université de Bretagne Occidentale, l’ENIB, l’ENST, l’Université de Bretagne Sud et l’Université de de Rennes 1.
Pascal REDOU est responsable de léquipe pédagogique de mathématiques à l'ENIB.
Les publications de l'équipe sont disponibles sur la page http://www.lisyc.univ-brest.fr/publications/liste_publis.php?num_projet=4&mode=p