Pour y voir plus clair dans les cellules
Publié par Adrien le 08/12/2018 à 08:00
Source: Jean Hamann - Université Laval
Des chercheurs font appel à l'intelligence artificielle pour améliorer les images de l'infiniment petit

La prise d'images de qualité à l'aide de microscopes sophistiqués est un exercice exigeant qui repose sur l'expertise des rares spécialistes du domaine. Ce savoir-faire sera désormais à la portée d'un plus grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de chercheurs grâce à un système conçu par une équipe de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) Laval. Ce système, qui fait appel à l'intelligence artificielle (L'intelligence artificielle ou informatique cognitive est la « recherche de moyens susceptibles de doter les systèmes informatiques de capacités...) pour optimiser la qualité des images, est décrit en détail dans un article publié dans Nature Communications.

Malgré les progrès spectaculaires en biochimie analytique, les images restent un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par une plus grande...) précieux pour comprendre ce qui se passe dans les cellules. "Les images fournissent une information spatiale essentielle pour comprendre les processus cellulaires, pour voir où se trouve une protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs chaîne(s) d'acides aminés liés entre eux par des liaisons...) dans la cellule et pour suivre les processus cellulaires dynamiques dans 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...) comme ceux des neurones du 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...). Contrairement à d'autres techniques, elles permettent aussi d'étudier des cellules vivantes", souligne Flavie Lavoie-Cardinal, chercheuse au Centre CERVO et professeure associée au Département de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et...), de génie physique et d'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.).


Cette image, prise à l'aide d'un appareil de microscopie optique à super-résolution, montre le détail d'un neurone (Un neurone, ou cellule nerveuse, est une cellule excitable constituant l'unité fonctionnelle de base du système nerveux. Le terme de « neurone » fut introduit dans le vocabulaire...). Les points verts correspondent à l'actine, une protéine du cytosquelette, les points rouges à la CaMKII, une protéine importante pour l'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...) et la mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.), et les points bleus à la PSD95, une protéine synaptique présente dans les épines dendritiques.
Photo: Flavie Lavoie-Cardinal.

La Centre CERVO dispose d'un appareil de microscopie optique à super-résolution qui combine un microscope et deux lasers; le premier excite les molécules photosensibles et le second les éteint, ce qui permet d'obtenir des images ayant une résolution exceptionnelle. Grâce à cet appareil complexe, les chercheurs parviennent à capter des images de structures dont la taille est à peine une dizaine de nanomètres. "C'est environ 1 000 fois plus petit que le corps d'un neurone, précise-t-elle. L'appareil est suffisamment puissant pour que l'on puisse étudier une synapse, la zone de contact entre deux neurones."

Au Centre CERVO, la professeure Lavoie-Cardinal est l'une des rares personnes qui arrivent à maîtriser cette bête. "L'appareil est d'une grande complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par exemple par Henri Atlan), en sociologie, en...) et il y a beaucoup de paramètres à ajuster. Pour chaque échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) étudié, il faut trouver, entre autres, la bonne combinaison (Une combinaison peut être :) d'intensité des lasers, de contraste, de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) d'acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un bien.) et de taille des pixels. C'est très exigeant en temps et en ressources et le résultat n'est pas garanti. Pour une tâche très difficile, il faut parfois faire 1 000 images, ce qui peut exiger une dizaine d'heures (L'heure est une unité de mesure  :) de travail, pour en obtenir 15 bonnes. Avec le temps, on développe une expertise qui permet d'être plus efficace, mais le processus demeure laborieux. Il faut faire des compromis de sorte qu'on n'obtient pas toujours la qualité d'images qu'on souhaiterait."

De là est née l'idée de concevoir un assistant pouvant guider les utilisateurs dans cette tâche. Des chercheurs du Département de génie électrique et de génie informatique (Le génie informatique, ou ingénierie informatique, est une discipline qui traite de la conception, du développement et de la fabrication de systèmes informatiques, à...), du Département de biochimie, de microbiologie (La microbiologie est la science qui étudie les micro-organismes (ou microorganismes).) et de bio-informatique (On regroupe sous le terme de bioinformatique un champ de recherche multi-disciplinaire où travaillent de concert biologistes, informaticiens, mathématiciens et physiciens, dans le but de résoudre un problème...) et du Centre 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...) CERVO ont uni leurs efforts pour concevoir un système automatisé qui optimise les paramètres de prise d'images nanoscopiques en utilisant l'apprentissage machine. "Notre système repose sur des algorithmes qui apprennent à partir du résultat de chaque essai. Ils améliorent progressivement la qualité de leurs prédictions et ils en viennent à proposer des combinaisons de paramètres qui ont une probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des...) grandissante de produire de bonnes images. En plus, l'acquisition des images se fait simultanément à cette exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.). Nous avons aussi développé une application basée sur l'apprentissage profond qui peut être entraînée à reconnaître les meilleures images d'un même échantillon sans l'intervention de l'usager."

Ce système intelligent fait-il mieux qu'un spécialiste ? "Pour des échantillons sur lesquels j'ai travaillé dans le passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au...), mon expertise se compare à celle de notre système. Par contre, si c'est quelque chose de nouveau, notre système est plus efficace", admet humblement Flavie Lavoie-Cardinal.

Les chercheurs qui ont apporté cette innovation ont choisi d'en faire profiter toute la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes...) en publiant son code en ligne. "Nous avons envisagé d'en faire un produit commercial (Un commercial (une commerciale) est une personne dont le métier est lié à la vente.), mais l'idée de partager cet outil pour favoriser l'avancement des connaissances correspondait davantage à nos valeurs, explique la professeure. Nous offrons même un soutien technique à ceux qui l'utiliseront." Le code est disponible au www.optim-nanoscopy.net.

L'article paru dans Nature Communications est signé par Audrey Durand, Theresa Wiesner, Marc-André Gardner, Louis-Émile Robitaille, Anthony Bilodeau, Christian Gagné, Paul De Koninck et Flavie Lavoie-Cardinal.
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