Du nouveau dans l'apprentissage automatique via des systèmes biologiques
Publié par Redbran le 23/09/2019 à 14:00
Source: INRA
Alors que les méthodes d'apprentissage automatique sont utilisées dans de nombreux domaines, y compris la santé humaine, leur application au monde du vivant est peu explorée à l'échelle moléculaire. Des chercheurs de l'Inra et de l'Inserm, viennent de réaliser un premier pas dans cette direction en créant un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node)...) neuronal simple dans un extrait cellulaire de bactérie Escherichia coli (Escherichia coli, également appelé colibacille ou E. coli, est une bactérie intestinale des mammifères très commune chez l'être humain. Découverte en 1885 par Théodore...). Leur méthode permet, entre autres, d'analyser des prélèvements biologiques humains et de les classer en fonction de leur concentration en différents métabolites. Publiés dans Nature Communications, ces résultats ouvrent des perspectives en termes de simplification et diminution du coût de certaines analyses biomédicales.


Construction d'un réseau neuronal dans un système biologique
© Inra, Jean-Loup Faulon

Les dernières décennies, de nombreux progrès ont été réalisés en apprentissage (L’apprentissage est l'acquisition de savoir-faire, c'est-à-dire le processus d’acquisition de pratiques, de connaissances, compétences, d'attitudes ou de valeurs culturelles, par...) automatique (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et, de la régulation des systèmes dynamiques. Elle a pour...), y compris récemment en apprentissage en profondeur, le deep learning. Les méthodes d'apprentissage sont maintenant utilisées dans de nombreuses tâches qui concernent notre vie (La vie est le nom donné :) quotidienne et elles présentent un réel potentiel pour traiter de nombreux problèmes de santé (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste pas seulement en une absence de maladie ou d'infirmité.). Ces méthodes s'inspirent notamment des systèmes biologiques, et entre autres, du réseau de neurones de notre cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de nombreuses fonctions du corps, dont la motricité volontaire, et constitue le...).

Des chercheurs de l'Inra et de l'Inserm ont utilisé des enzymes pour construire un réseau neuronal simple dans un extrait cellulaire de bactérie Escherichia (Escherichia est un genre de bactéries de la famille des Enterobacteriaceae, qui colonise l'intestin de l'homme et d'autres animaux. L'espèce la plus répandue est E. Coli.) coli (E. coli), qu'ils ont appliqué dans un contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu...) de diagnostic (Le diagnostic (du grec δι?γνωση, diágnosi, à partir de δια-, dia-, „par, à travers, séparation, distinction“ et...) médical. Ils ont ainsi montré que ce réseau permettait de différencier correctement des échantillons biologiques d'origine humaine et de les classer comme "positif" ou "négatif" en fonction de leur composition en métabolites.

Afin de tester la robustesse de leur système, les chercheurs l'ont appliqué à la détection de métabolites précis dans des échantillons d'urines humaines (1).

Parmi les métabolites sélectionnés, ils ont choisi l'hippurate pour suivre le traitement probiotique avec E. coli "Nissle 1917" de la phénylcétonurie, (une maladie (La maladie est une altération des fonctions ou de la santé d'un organisme vivant, animal ou végétal.) neurotoxique caractérisée par l'accumulation d'un acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les...) aminé spécifique, la phénylalanine). En effet, de récents travaux ont montré que le traitement probiotique avec E. coli "Nissle 1917" permettait une cascade de réactions aboutissant à la conversion de la phénylalanine en hippurate dans le foie (Le foie est un organe abdominal impair et asymétrique, logé chez l'homme dans l'hypocondre droit, la loge sous-phrénique droite, la partie supérieure du creux...) des patients atteints de phénylcétonurie (2).

Le réseau conçu par l'équipe de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique,...) a été capable de mettre en évidence l'augmentation de la concentration en hippurate dans les urines chez les patients traités avec ce probiotique.

Les résultats de ces travaux montrent ainsi que la conception d'un dispositif peu coûteux basé sur un extrait cellulaire d'E. coli permet de contrôler l'efficacité d'un traitement en évitant des mesures de spectrométrie de masse (La spectrométrie de masse est une technique d'analyse chimique permettant de détecter et d'identifier des molécules d’intérêt par mesure de leur masse monoisotopique. De plus, la spectrométrie de...) plus coûteuses et énergivores.

Deep learning

Le deep learning est un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) de méthodes d'apprentissage qui permet à une machine d'apprendre par elle-même, en opposition au mode de fonctionnement classique, sur la base de programmes, où la machine se contente d'exécuter des tâches selon les règles prédéterminées par le programme. Le fonctionnement en deep learning repose sur une structure de type neuronale inspirée du cerveau humain, avec plusieurs "couches" de neurones qui permettent d'apprendre selon un processus "essais-erreurs".

Notes:
(1) Voyvodic, P. L. et al. Plug-and-play metabolic transducers expand the chemical detection space of cell-free biosensors. Nat. Commun. 10, 1697 (2019).
(2) Isabella, V. M. et al. Development (Development est une revue scientifique bimensuelle à comité de lecture couvrant tous les champs de la génétique évolutive du...) of a synthetic live bacterial therapeutic for the human metabolic disease phenylketonuria. Nat. Biotechnol. (2018). doi:10.1038/nbt.4222


Contact scientifique:
Jean-Loup Faulon - Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) de microbiologie (La microbiologie est la science qui étudie les micro-organismes (ou microorganismes).) de l'alimentation au service de la santé (MICALIS, Inra – AgroParisTech)

Département associé:
Microbiologie et chaîne alimentaire (Une chaîne alimentaire est une suite d'êtres vivants dans laquelle chacun mange celui qui le précède. Le premier maillon d'une chaîne est très...)

Centre associé:
Jouy-en-Josas

Référence publication:
Pandi, A. et al. Metabolic Perceptrons for Neural Computing in Biological Systems. Nature Communin press, (2019). September 05, 2019 DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-019-11889-0
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