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Emergences

Lettre d'information n° 10

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Des algorithmes pour mieux décrypter la vie cellulaire

Nouvelle équipe de recherche, à Rennes, Serpico élabore des algorithmes pour le traitement des images de microscopie afin d'aider à comprendre le fonctionnement des protéines interagissant dans la cellule. L'enjeu : les thérapies anti-cancéreuses. Explications avec Charles Kervrann, responsable de l'équipe.

Nouvelle équipe de recherche au centre Inria Rennes - Bretagne Atlantique, Serpico élabore des algorithmes pour le traitement des images de microscopie afin d'aider à comprendre le fonctionnement des protéines  interagissant dans la cellule. L'enjeu : les thérapies anti-cancéreuses. Explications avec Charles Kervrann, responsable de l'équipe. 

Cancer. Mucoviscidose. Deux maladies parmi d'autres pour lesquelles l'observation sous microscope apporte des informations précieuses. La biologie fondamentale cherche à comprendre les interactions entre les nombreux éléments qui évoluent au sein de la cellule. "Décrypter ces fonctionnements peut constituer un pas important vers la mise au point de traitements. Par exemple, une drogue pour empêcher qu'une cellule malade ne se divise", explique Charles Kervrann. Créée en janvier 2010, Serpico coopère avec une équipe d'investigation en biologie fondamentale et recherche médicale (1) de l'Institut Curie, un établissement spécialisé dans la lutte contre le cancer.

Outil clé pour appréhender les dynamiques et les comportements dans la cellule in vivo : l'image, fournie par la microscopie optique ou électronique. "Notre travail consiste à essayer de comprendre les nombreux mécanismes à l'œuvre. On peut vouloir exhiber ou quantifier le trafic des vésicules se déplaçant sur un faisceau de microtubules. On peut aussi chercher à repérer l'apparition de molécules au niveau de la membrane cellulaire ou encore observer des filaments en mouvement : microtubules, filaments d'actine." Ces observations se déroulent à différentes échelles temporelles et spatiales. "Certaines images 3D s'obtiennent in vivo à l'échelle de quelques centaines de nanomètres (microscopie photonique).  Pour d'autres (cryo-tomographie 3D  électronique), les échantillons sont figés dans la glace mais on peut descendre jusqu'à seulement quelques nanomètres. Un de nos objectifs est d'ailleurs de parvenir à intégrer tous ces niveaux d'échelle." À partir des observations, "nous tentons ensuite de construire des trajectoires, d'élaborer un modèle prédictif qui décrit le comportement attendu. Si nous sommes capables de mettre en évidence les deux ou trois paramètres qui contrôlent le trafic, alors nous pouvons espérer agir sur certains éléments de la cellule."

Extraire l'information utile

Cette spécialité relève du traitement du signal et de l'image, ainsi que des statistiques. "Nous traitons 3 à 6 modalités comme l'imagerie confocale ou l’imagerie par temps de vie de fluorescence (2). A partir de l'image, nous concevons des algorithmes pour mettre en évidence l'information utile : extraire les composants essentiels, quantifier une distribution, modéliser le trafic des éléments pertinents..."  Tout cela, sans oublier le travail de débruitage, car "pour prolonger la vie de la cellule, il faut reduire la durée d'exposition ou la puissance de la source de lumière". Conséquence : "les images sont très bruitées. Il y a ce qu'on appelle le bruit de Poisson, lié aux faibles  flux ou comptages de photons lumineux", mais aussi "le bruit  gaussien lié aux appareils électroniques. On obtient un signal fortement dégradé qu'il s'agit ensuite de restaurer.

 Les méthodes habituelles de traitement du signal ne sont pas très adaptées. "Nous nous efforçons donc d'en concevoir de nouvelles qui conviendraient mieux à ce type de données. Mais nos algorithmes se veulent génériques. Pour le débruitage, par exemple l'un d'entre eux est transféré sur la plate-forme de l'Institut Curie et il va être utilisé pour d'autres recherches en biologie." À terme, "ces algorithmes  peuvent aussi intéresser les fabricants de matériel d'imagerie. Un des soucis constants dans le domaine, c'est d'endommager le moins possible la cellule en réduisant l'exposition à la lumière qui s'avère toxique pour la cellule. Si on propose un algorithme de débruitage efficace, cela veut dire qu'on peut se contenter d'images très bruitées. Il devient alors possible de réduire le temps de capture de l'image et donc de minimiser le risque d'endommager la cellule. Pour un constructeur et pour les expérimentalistes, cet algorithme peut s'avèrer vite très intéressant."

 

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Notes :

(1) Il s'agit d'une collaboration avec l’équipe PICT-IBiSA-UMR 144 à l'Institut Curie,  qui étudie la compartimentation et la dynamique cellulaires.
(2) Aussi appelée FLIM. C'est une méthode pour identifier le signal spécifique d’une molécule d’intérêt par l'observation de son déclin de fluorescence.