Vincent Rodin, Jean-François Abgrall, Gireg Desmeulles,
Sébastien Kerdélo, Frédéric Le Corre,
Gabriel Querrec, Pascal Redou et Jacques Tisseau.
Expérimentation in virtuo en biologie.
Journée "Le calcul et la simulation pour le médicament"
(CINES), pages 1-2, Montpellier (France), 12 mai 2005.
Résumé:
La recherche en biologie utilise depuis fort longtemps
l'expérimentation in vivo et in vitro.
Plus récemment, l'expérimentation in silico
a fait son apparition. Il est ainsi possible de modéliser et de
simuler sur ordinateur un certain nombre de phénomènes
biologiques. Les calculs obtenus in silico peuvent être
confrontés aux résultats d'expériences réelles.
Depuis peu, la possibilité d'interagir avec une simulation en cours
d'exécution a ouvert la voie à un nouveau type
d'expérimentation : l'expérimentation in virtuo.
Il est désormais possible, à tout moment, de perturber un
modèle, de supprimer ou d'ajouter des éléments ou
de modifier les conditions aux limites. L'intérêt principal
de l'expérimentation in virtuo est que toutes ces
modifications apportées sur une simulation peuvent être
introduites sans arrêter le cours de cette simulation.
Nous sommes alors très proches des conditions expérimentales
des approches in vivo et in vitro où le biologiste
peut, par exemple, introduire de nouvelles molécules, modifier une
concentration, ajouter ou détruire des cellules.
Nous utilisons l'approche multi-agents afin de développer un
véritable laboratoire d'expérimentation in virtuo
en biologie. Nous avons recours à cette approche car les
systèmes multi-agents et les systèmes biologiques ont bon
nombre de caractéristiques communes.
Citons, par exemple, la robustesse, l'émergence, l'auto-organisation
et l'adaptabilité.
Nous présentons plusieurs niveaux de modélisation multi-agents
et nous décrivons plusieurs applications dans les domaines de
l'immunologie, de l'hématologie et de la cancérologie.
Les premiers travaux in virtuo ont utilisé l'analogie
immédiate entre la cellule biologique et l'agent informatique
- agent de type réactif - pour modéliser le rôle
de récepteurs CD5 de certains lymphocytes B vis-à-vis
de l'apoptose.
La première étape dans la conception d'un agent-cellule
consiste à choisir la forme géométrique qui
constituera la membrane cellulaire. Il faut ensuite placer
sur cette membrane des récepteurs qui permettront à
l'agent de percevoir l'environnement. Enfin, il est nécessaire
de définir le comportement de cet agent-cellule.
Ce comportement peut être régi de différentes
manières. Citons, par exemple, les algorithmes "classiques",
les équations différentielles, les outils de l'intelligence
artificielle (réseaux de neurones, cartes cognitives,...), ou
encore les diagrammes d'états transitions.
Lorsque le nombre d'agents-cellules devient trop important, il faut trouver
un moyen pour réduire les temps de calcul. Nous avons alors
proposé la notion d'agent-réaction.
Les modèles d'expériences in vitro sont souvent
constitués de réactions chimiques entre des espèces
moléculaires en solution dans un milieu (réaction enzymatique,
oxydoréduction, dimérisation...). Dans ce genre de cas, les
concentrations des différentes molécules peuvent être
considérées comme étant homogènes. Dès
lors, il est possible de modéliser les populations de molécules
de même type plutôt que de modéliser chaque molécule
individuellement. Il est alors possible de réifier les interactions,
réactions chimiques, entre ces populations. Le verbe réifier
signifie ici que l'on considère les interactions comme des agents
à part entière. Un agent-réaction représente donc
une réaction chimique entre plusieurs espèces dans un milieu
homogène. Un agent-réaction effectue son cycle en trois temps :
lecture des concentrations des espèces dans le milieu (perception),
calcul de la quantité de réactifs (décision),
mise à jour des concentrations (action). Un ensemble
d'agents-réactions peut former un réseau biochimique complexe
et permet de le simuler très précisément. Ainsi, par
exemple, un agent-cellule peut contenir plusieurs agents-réactions
pour décrire ses voies de transduction.
[Rodin05a.pdf]