Nom : In Virtuo

Objectifs : L'objet du projet Ecosystémique et Biologie Virtuelles est de développer une recherche interdisciplinaire dans les domaines de la bioinformatique et de la modélisation d'écosystèmes. L'approche retenue au sein de l'équipe est une modélisation individu-centrée des systèmes biologiques. Cette approche basée sur les systèmes multi-agents permet de simuler des phénomènes biologiques complexes de manière plus naturelle que les simulations numériques traditionnelles, et surtout d'apporter des éléments de réponses là où les approches classiques échouent.

Responsable : Pascal REDOU

Participants : Jean-François ABGRALL, Pascal BALLET, Zakaria BELEMAALEM, Stéphane BONNEAUD, Mikaël BOURHIS, Manuel COMBES, Gireg DESMEULLES, Alexandra FRONVILLE, Laurent GAUBERT, Fabrice HARROUET, Sébastien KERDELO, Christophe LEGAL, Marc PARENTHOËN, Pascal REDOU, Vincent RODIN, Abdallah ZEMIRLINE

AXES DE RECHERCHE : Les travaux de l'équipe s'articulent autour de cinq axes principaux : exploration du fonctionnement du vivant par la modélisation et la simulation et par des approches algorithmiques et heuristiques, validation mathématique de modèles individu-centrés, modélisation d'écosystèmes, auto-organisation et émergence dans les systèmes couplés, individuation de données issues de systèmes biologiques couplés .

Auto-organisation et émergence dans les systèmes couplés, individuation de données issues de systèmes biologiques couplés . : Ces travaux de recherche concernent essentiellement les systèmes complexes et plus spécifiquement ceux possédant différentes échelles d'observation et de modélisation. Il s'agit d'étudier les liens et les interactions entre de telles échelles. Nous étudions les notions d'émergence et d'auto-organisation sur des modèles de société d'insectes, donnant un exemple d'auto-organisation fonctionnelle dénuée d'intelligence collective. Nous avons élaboré un modèle mathématique de tissus cellulaires (couplages tissulaires) permettant de prouver des résultats généraux sur le phénomène de synchronisation (verrouillage des fréquence) dans des populations cellulaires finies ou continues. Enfin, ces modèles de tissus cellulaires ont permis de développer une méthode originale de traitement des séries temporelles issues de puces à ADN en vue de l'exploitation de celles-ci.

Modélisation de systèmes physiologiques humains : Nous abordons la modélisation de systèmes physiologiques humains à travers deux approches principales : la modélisation inter-cellulaire et la modélisation intra-cellulaire. La modélisation inter-cellulaire concerne l'étude des interactions entre cellules dans un milieu composé de cellules, de molécules et d'enzymes. La modélisation intra-cellulaire permet une meilleure compréhension du comportement interne de la cellule via une modélisation des voies de transductions (c'est-à-dire de toutes les étapes allant de la réception d'un signal jusqu'à la production de substances). Afin de réduire la complexité algorithmique de nos applications, nous utilisons les concepts d'organisation, d'interaction et de composant présents en systémique. Ce type d'architecture nous permet de créer un cadre générique de développement simple et réutilisable dans de nombreux domaines. Nos travaux portent principalement sur les domaines de l'hématologie, de la cancérologie et de l'allergologie.

Modélisation d'écosystèmes : Un autre aspect de nos activités concerne une étude théorique et pratique du paradigme individu centré. Dans ce cadre, nous travaillons sur le projet virtuOcéan, en collaboration avec l'IFREMER et l'Institut Français de la Biodiversité, pour lesquels nous devons construire un simulateur multi-agents permettant la simulation individu-centrée de modèles écologiques et économiques provenant du Golfe de Gascogne. Nous travaillons en interaction avec des écologistes pour modéliser le peuplement de poissons du Golfe de Gascogne et simuler son évolution afin de comprendre l'influence du réchauffement climatique et des activités de pêche sur l'écosystème. Pour cela nous devons également modéliser les modifications climatiques et, en interaction avec des économistes, modéliser l'économie halieutique du Golfe de Gascogne.

Modèles algorithmiques pour le vivant : La compréhension du fonctionnement du vivant, de ses capacités d'auto-organisation, de différenciation et de reproduction, et de son aptitude à survivre à l'adversité et à bien se développer dans les situations favorables, est certainement très difficile à réaliser. En effet, cela exige des connaissances qui ne sont pas aisément accessibles et qui sont encore insuffisamment précises, très parcellaires et hétérogènes, pour autoriser une vision synthétique et homogène des processus biologiques. L'acquisition de ces connaissances implique l'élaboration et la mise en œuvre d'outils bien appropriés, comme des systèmes informatiques adaptés où il est possible d'intégrer, en prenant en compte l'espace et le temps, différents concepts et compétences au sein d'un même langage, ou encore comme de nouvelles démarches de modélisation et de simulation et de nouvelles approches algorithmiques et heuristiques.

Validation mathématique de modèles individu centrés : Nous travaillons sur deux objectifs principaux. D'une part, la validation formelle des méthodes informatiques utilisées au sein de l'équipe EBV, basées sur les systèmes multi-agents individu-centrés. Nous démontrons la convergence d'algorithmes faisant intervenir les agents par itérations chaotiques et asynchrones, algorithmes permettant à l'utilisateur de modifier le système en cours d'exécution. Les démonstrations valident le concept d'agent-interaction, plus précisément d'agent-interface et d'agent-réaction. Par ailleurs, nous développons des modèles formels pour l'étude de la dynamique des populations au sein d'écosystèmes. Ces modèles, probabilistes autant qu'analytiques, portent par exemple sur le tri du couvain chez certaines espèces de fourmis, ou l'évolution conjointe de populations de type proies-prédateurs, toujours d'un point de vue individu-centré. Enfin, les perceptives les plus récentes portent sur l'étude théorique des systèmes dynamiques couplés.