Vers La Simulation Numérique D’Organismes Vivants

Vers la Simulation Numériqued’Organismes VivantsTony HUTINET (AFIS)Vers la simulation numérique d’organismes vivants 17/09/191

Les Raisons de l’Etude du C. Elegans Pourquoi utiliser ce nématode en recherche ? Le Caenorhabditis Elegans (C. Elegans), ce ver de terre constitue l’une des formes devie les plus élémentaires sur terre, Le C. Elegans possède un nombre fixe de cellules : à maturité, ce ver compte 1031cellules dont 302 neurones, De plus ce nématode à l’avantage d’être transparent, ce qui facilite grandement sonobservation ainsi chaque cellule peut ainsi être observée et suivie au microscope.Vers la simulation numérique d’organismes vivants 17/09/192

Indentification de l’ensemble de ces Cellules Les chercheurs ont défini le rôle précis de chacune de ces cellules.Vers la simulation numérique d’organismes vivants 17/09/193

Le Projet OpenWorm Browser L’ensemble des 19.099 gènes de ses 6 chromosomes ont été séquencésdepuis 1998. Les chercheurs du Projet OpenWorm ont modélisé et simulé l’ensemble de sastructure interne de ses « muscles » et de ses diverses membranes les plusintimes. Un modèle 3D de l'anatomie du ver peut être accessible via le webdu OpenWorm. La première étape a consisté à modéliser la locomotion du ver en simulant les302 neurones et 95 cellules musculaires. Le « Sibernetic », le Simulateur du moteur physique a été construit et desmodèles de la Connectome Neurale et des cellules musculaires ont été créésdans le format NeuroML.Vers la simulation numérique d’organismes vivants 17/09/194

Analyse du Cerveaux du C. Elegans C. Elegans possède 20 000 gènesenviron vs 30 000 chez l’Homme Mais seulement 302 Neurones vs 85Milliards de Neurones pour lecerveau HumainHiérarchie des Cerveaux dans le Monde Animal Son cerveau est donc 300 millions de fois plus petit que le nôtre !Vers la simulation numérique d’organismes vivants 17/09/195

La cartographie du cerveau du C. Elegans En 1986, le biologiste moléculaire JohnWhite publie la carte détaillée du cerveaude C. Elegans à partir de 20 000 imagesprises au microscope confocal. Ce Connectome, la carte détaillée ducerveau de C. Elegans représente nonseulement les 302 neurones maiségalement les 8000 connexions qui relientces neurones entre euxVers la simulation numérique d’organismes vivants 17/09/196

Analyse des éléments du Connectome Identification des neurones de type « Emetteur » (ou encore pré-synaptique)et des neurones de type « Récepteur » (ou post-synaptique) : Certains de ses Neurones possèdent de nombreuses connexions pré-synaptiques,c’est-à-dire qu’ils peuvent envoyer des messages à de nombreux autres neurones.Ils correspondent généralement aux Neurones liés aux Fonctions Sensorielles. Inversement, d’autres Neurones possèdent de nombreuses connexions postsynaptiques, ils peuvent donc recevoir des messages de plein d’autres neurones.Il s’agit généralement de ceux qui commandent les Fonctions Motrices. Classement des Neurones en 3 grandes catégories : Sensoriel, Moteur ou Intermédiaire.Vers la simulation numérique d’organismes vivants 17/09/197

Neurones : Indentification des Rôles / Fonctions Afin de connaître le rôle de chacun des 302 neurones et leur implicationdans les fonctions vitales du ver C. Elegans, les chercheurs ont procédéde la manière suivante :1. Détruire avec un laser un neurone bien particulier2. Observer en quoi cela modifie le comportement du ver Cette méthode a permis d’identifier les neurones associés à la Perceptionde la Température, des Odeurs ou de la Nourriture, ou encore ceux qui jouentun rôle dans l’Hibernation ou l’Accouplement.Vers la simulation numérique d’organismes vivants 17/09/198

Piloter un Robot à l’aide du Cerveau d’un Ver ! Création d’une véritable Intelligence Artificielle :Timothy BUSBICE, le créateur de ce robot à tête de ver, s’appuie surle Connectome, le cerveau numérique qui simule très précisément le« Cerveau » de notre C. Elegans.Transfert / Couplage302 Neurones & 95 Cellules MusculairesRobot-Lego Mindstorms EV3Vers la simulation numérique d’organismes vivants 17/09/199

Changement d’Echelle : Le Cerveau Humain (1/3) Projet Blue Brain : Modélisation Numérique du Cerveau Humain, défides chercheurs de "Neuropolis" Centre de Recherche de l'EcolePolytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). Les Chercheurs de "Neuropolis" veulent construire l’équivalent du CERN(qui héberge le LHC, le grand collisionneur de particules, NDLR) pour laModélisation du Cerveau Humain. La Commission Européenne a lancé en 2013 le projet Human BrainProject (HBP) avec un budget de 1 Milliard Euros visant à simuler uncerveau humain en 2023, Neuropolis y participe.Vers la simulation numérique d’organismes vivants 17/09/1910

Changement d’Echelle : Le Cerveau Humain (2/4) Blue Brain nécessite déjà la puissance de calcul d’un Super calculateur, BlueGene P, de 16.000 processeurs et 0,5 PetaFlops (0,5 1015 opérations par sec). Il faudrait avoir recours à environ 400 Blue Gene P !Une armoire de Blue Gene PVers la simulation numérique d’organismes vivants 17/09/1911

Changement d’Echelle : Le Cerveau Humain (3/4) Est-il raisonnable de croire pouvoir obtenir une puissance de calculnécessaire pour simuler un Cerveau Humain ? Les modèles actuels de neurones isolés sont beaucoup plus complexes etincorporent des modèles moléculaires comme le canal Sodium ou lesneurotransmetteurs. La simulation en temps réel d’un seul neurone exige une mémoired’environ 1 Megabyte pour stocker toutes les variables qui définissentl’ “Etat” du neurone à chaque instant et une puissance de calcul de1 GigaFLOPS, ce qui correspond : au super ordinateur Cray-2 de 1985 à un PC Pentium III de 1999 (presque) un bon smartphone actuelVers la simulation numérique d’organismes vivants 17/09/1912

Changement d’Echelle : Le Cerveau Humain Pour un cerveau de 100 milliards de neurones : 1 GigaFLOPS par neurone devraient donner 100 ExaFLOPS. De plus il faudra peut-être : une puissance 10x supérieure pour tenir compte de la plasticité synaptique un autre facteur 10 pour tenir compte des cellules gliales mais surtout un facteur pouvant atteindre 1000 pour simuler la croissance desneurones, leur morphogenèse par réaction-diffusion Cette approche pourrait nécessiter des millions d’ExaFLOPS qui ne seraientdisponibles que vers 2040. La Modélisation et la Simulation d’un Cerveau Humain est donc d’unecomplexité que l’on sait pas encore maîtrisée !!!!Vers la simulation numérique d’organismes vivants 17/09/1913

Neurones : Indentification des Rôles / Fonctions. Vers la simulation numérique d’organismes vivants 17/09/19 8 Afin de connaître le rôle de chacun. des 302 neurones et leur implication dans les fonctions vitales du ver C. Elegans, les chercheurs ont procédé de la manière s