Approches hybrides pour la représentation et la modélisation des processus biologiques de croissance/fragmentation

Contexte et enjeux

La modélisation mathématique des mécanismes qui régulent les dynamiques biologiques est un défi scientifique majeur pour mieux comprendre les processus physiologiques à toutes les échelles d’organisation. En effet, des phénomènes biologiques aussi divers que la propagation d’assemblages protéiques, l’autorégulation de structures vésiculaires intracellulaires, reposent sur des lois communes de croissance, de fragmentation et d’interaction.

Pour étudier ces mécanismes, les approches classiques s’appuient sur des modèles mathématiques décrivant l’évolution de populations structurées, notamment en fonction de leur taille. Bien que ces modèles aient permis de mieux comprendre de nombreux processus biologiques, tels que la réplication des prions, le contrôle de la taille des cellules dans les tissus, leur utilisation devient plus delicate couteuse, lorsque les systèmes étudiés présentent une forte hétérogénéité, une organisation spatiale complexe ou une grande variabilité entre individus.

Dans ce contexte, les réseaux de neurones informés par la physique (PINNs) représentent une alternative prometteuse: en combinant données expérimentales et contraintes physiques, ils permettent d’obtenir des modèles plus flexibles et plus efficaces pour décrire et prédire le comportement de systèmes biologiques complexes.

L’objectif du projet exploratoire BIO-HYFG est de développer une nouvelle approche de modélisation, interprétable et flexible, en combinant des équations de croissance/fragmentation avec des PINNs entrainés à partir de données synthétiques et expérimentales. Le projet s’appuie sur la creation d’un consortium interdisciplinaire, réunissant des spécialistes en mathématiques appliquées, calcul scientifique, statistique et biologie, afin de déveloper un cadre commun pour mieux décrire et prédire le comportement de systèmes biologiques complexes.

Objectifs

Le projet s’articule autour de deux axes complémentaires :

1/ l’analyse théorique et numérique des modèles de population structurée en taille appliquées à différents systèmes biologiques.  Cette approche s’appuiera sur trois cas d’étude, illustrant les phénomènes de croissance et de fragmentation à différentes échelles du vivant :

• Les assemblages protéiques prion, dont l’accumulation dans les tissus cérébraux est étudiées à partir de données issues de plusieurs techniques d’imagerie.
• Les dynamiques de taille de cellules dans les tissus germinatifs de poissons, utilisé comme indicateur de l’état physiologique des individus (cas d’études initié dans le cadre du projet exploratoire IMMO et de la thèse de Louis Fostier)
• Les vésicules intracellulaires (endosomes et exosomes), qui subissent des dynamiques d’endocytose, de coagulation, de fragmentation et de recyclage (cas d’étude initié par le projet exploratoire IMAGO et la thèse de Chloé Weckel).

2/ le développement de réseaux de neurones informés par la physique, spécifiquement adaptés aux systèmes biologiques de croissance/fragmentation.

• Ce projet permettra de mieux comprendre les défis méthodologiques liés à l’utilisation des (PINNs pour l’étude des processus de croissance et de fragmentation. Il prévoit également l’organisation d’une conférence internationale réunissant des spécialistes de la modélisation mathématique de ces phénomènes ainsi que des chercheurs travaillant sur les données expérimentales associées.
• À plus long terme, l’ambition est de faire émerger un cadre de recherche interdisciplinaire pouvant être appliqué à de nombreux systèmes biologiques.

Contact - Coordination :

Acteurs du projet

Unités INRAE impliquées

Partenaires extérieurs