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1 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Habilitation à Diriger des Recherches Vincent Rodin lundi 6 décembre 2004 Contribution à lutilisation.

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1 1 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Habilitation à Diriger des Recherches Vincent Rodin lundi 6 décembre 2004 Contribution à lutilisation de linformatique en biologie Centre Européen de Réalité Virtuelle LISyC – EA 3883 – UBO/ENIB

2 2 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Contribution à lutilisation de linformatique en biologie Traitement dimages endoscopiques [Rodin, 1993] ENIB/LI Traitement dimages biologiques Modélisation et simulation de systèmes physiologiques humains Systèmes multi-agents

3 3 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Agent : perception-décision-action Système multi-agents : auto-organisation robustesse adaptabilité émergence Caractéristiques des systèmes multi-agents Autonomisation des modèles

4 4 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Plan Contexte Modélisation et simulation de systèmes physiologiques humains Traitement dimages biologiques Régulation de systèmes multi-agents Conclusions et perspectives

5 5 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Modélisation et simulation de systèmes physiologiques humains Histoire de rencontres interdisciplinaires 1997 : CHU de Brest, Immunologie Pr. Pierre Youinou 1998 : CHU de Brest, Hématologie Pr. Jean-François Abgrall 2002 : CHU de Brest, Allergologie/Dermatologie Pr. Laurent Misery 2001 : INSERM Nantes U 463, Cancérologie Pr. François-Régis Bataille

6 6 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Expérimentation in virtuo Modèle in vivoin vitro in silicoin virtuo LI2/ENIB CERV 1997 … … Responsable du projet in virtuo (2002)

7 7 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Agent-cellule Agent-réaction Agent-interface Agent-interaction [Ballet, 2000] [Querrec, 2005] [Desmeulles, 2006] De lagent-cellule à lapproche systémique

8 8 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Modèle dagent-cellule Comportements Mitose Activation Internalisation Expression de récepteurs Apoptose Comportements de base Modèles dagents situés aux comportements complexes

9 9 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Cellules Fibroblastes, endothéliales, plaquettes Facteurs procoagulants TF, I, II, V, VII, VIII, IX, X, XI, … Facteurs inhibiteurs TFPI, AT3, 2M, PC, PS, PZ, … Exemple dapplication du modèle dagent-cellule Simulation de la coagulation: Cascade de la coagulation

10 10 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Exemple dapplication du modèle dagent-cellule Eléments de validation du modèle multi-agents de la coagulation : Comparaison expérience biologique Cohérence vis à vis de pathologies Courbe de génération de thrombine [Hemker, 1995]

11 11 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Exemple dapplication du modèle dagent-cellule Génération de thrombine Génération de thrombine Coagulation normale Hémophile B + NovoSeven Temps Coagulation normale Hémophile B Hémophile A Temps en secondes Simulation de la coagulation: patient sain, hémophile, hémophile avec traitement

12 12 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Agent-cellule agent situé Agent-réaction Agent-interface Agent-interaction De lagent-cellule à lapproche systémique

13 13 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 au niveau « microscopique » : au niveau « macroscopique » : agent = cellule/molécule agent = réaction Modèle dagent-réaction 1: lecture des concentrations en réactifs 2: calcul de la vitesse de réaction puis de la quantité de réactifs à réagir perception action décision réaction 3: modification des concentrations en réactifs et produits en conséquence

14 14 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Modèle dagent-réaction Agents non situés Réacteur chimique C 1, C 2, …, C n r1r1 r2r2 rmrm … Indiscernabilité spatiale

15 15 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 n+1n+2n+3 cycles n cycle de simulation r1r1 r5r5 r3r3 r2r2 r4r4 r5r5 r2r2 r1r1 r4r4 r3r3 r2r2 r3r3 r4r4 r5r5 r1r1 temps t n+3 t n+2 t n+1 tntn Modèle dagent-réaction permutations aléatoires Itérations asynchrones et chaotiques t n(2) t n(3) t n(4) t n(1) asynchronisme des SMA tntn Approches classiques

16 16 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 new EnzimaticReaction(plasma, E 1, S 1, P 1, kcat 1, Km 1 ); new EnzimaticReaction(plasma, E 2, S 2, P 2, kcat 2, Km 2 ); new ComplexFormationReaction(plasma, P 1, P 2, P 1 P 2 Complex, kon 3 ); new EnzimaticReaction(plasma, E 3, S 1, P 1, kcat 3, Km 3 ); d[S 1 ]/dt = – kcat 1 [E 1 ][S 1 ]/(Km 1 +[S 1 ]) – kcat 3 [E 1 ][S 1 ]/(Km 3 +[S 1 ]) d[S 2 ]/dt = + kcat 2 [E 2 ][S 2 ]/(Km 2 +[S 2 ]) d[P 1 ]/dt = – kcat 1 [E 1 ][S 1 ]/(Km 1 +[S 1 ]) – kon 3 [P 1 ][P 2 ] + kcat 3 [E 1 ][S 1 ]/(Km 3 +[S 1 ]) d[P 2 ]/dt = + kcat 2 [E 2 ][S 2 ]/(Km 2 +[S 2 ]) – kon 3 [P 1 ][P 2 ] d[P 1 P 2 Complex]/dt = kon 3 [P 1 ][P 2 ] E 1 + S 1 E 1 + P 1 E 2 + S 2 E 2 + P 2 P 1 + P 2 P 1 P 2 Complex Modèle dagent-réaction d[S 1 ]/dt = – kcat 1 [E 1 ][S 1 ]/(Km 1 +[S 1 ]) d[S 2 ]/dt = + kcat 2 [E 2 ][S 2 ]/(Km 2 +[S 2 ]) d[P 1 ]/dt = – kcat 1 [E 1 ][S 1 ]/(Km 1 +[S 1 ]) – kon 3 [P 1 ][P 2 ] d[P 2 ]/dt = + kcat 2 [E 2 ][S 2 ]/(Km 2 +[S 2 ]) – kon 3 [P 1 ][P 2 ] d[P 1 P 2 Complex]/dt = kon 3 [P 1 ][P 2 ] new EnzimaticReaction(plasma, E 1, S 1, P 1, kcat 1, Km 1 ); new EnzimaticReaction(plasma, E 2, S 2, P 2, kcat 2, Km 2 ); new ComplexFormationReaction(plasma, P 1, P 2, P 1 P 2 Complex, kon 3 ); E 1 + S 1 E 1 + P 1 E 2 + S 2 E 2 + P 2 P 1 + P 2 P 1 P 2 Complex E 3 + S 1 E 3 + P 1

17 17 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 VIIIa + IXa -> VIIIa-IXa VIIIa-IXa + X -> VIIIa-IXa + Xa Va-Xa + II -> Va-Xa + IIa AT3 + (IXa, Xa, XIa, IIa) -> 0 alpha2M + IIa -> 0 I + IIa -> Ia + IIa TM (endo cell) + IIa -> IIi AT3(endo cell) + (IXa, Xa, XIa, IIa) -> 0 ProC + IIi -> PCa + IIi PCa + Va -> 0 PCa + Va-Xa -> Xa PCa + PS -> PCa-S PCa + PCI -> 0 PCaS + Va -> 0 PCaS + V -> PCa-S-V PCa-S-V + VIIIa-IXa -> IXa PCa-S-V + VIIIa -> 0 Fibroblaste + VIIa -> VII-TF VII + VIIa -> VIIa + VIIa VII + VII-TF -> VIIa + VII-TF IX + VII-TF -> IXa + VII-TF X + VII-TF -> Xa + VII-TF TFPI + Xa -> TFPI-Xa TFPI-Xa + VII-TF -> 0 VII + IXa -> VIIa + IXa IXa + X -> IXa + Xa II + Xa -> IIa + Xa XIa + IX -> XIa + IXa XIa + XI -> XIa + XIa IIa + XIa -> IIa + XIa IIa + VIII -> IIa + VIIIa IIa + V -> IIa + Va Xa + V -> Xa + Va Xa + VIII -> Xa + VIIIa Xa + Va -> Va-Xa Exemple dapplication du modèle dagent-réaction ½ secondes Génération de thrombine Génération de thrombine Coagulation normale Hémophile B + NovoSeven Temps en Coagulation normale Hémophile B Hémophile A Temps en Simulation de la coagulation: patient sain, hémophile, hémophile avec traitement 42 réactions

18 18 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Agent-cellule agent situé Agent-réaction agent non situé Agent-interface Agent-interaction De lagent-cellule à lapproche systémique

19 19 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Modèle dagent-interface Réacteur chimique Réacteur chimique Réacteur chimique Interface Milieu advection diffusion Phénomènes de transport Phénomènes de relaxation

20 20 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 interface / r interface / r interface / r milieu / t milieu / t milieu / t milieu / t réacteur chimique réacteur chimique réacteur chimique réacteur chimique transport Résolution déquations aux dérivées partielles Tous les phénomènes sont supposés simultanés Variables = concentrations des réactifs dans chaque maille du milieu Point de vue « classique » : Modèle dagent-interface

21 21 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Phénomènes asynchrones et ordre chaotique Pas déquations aux dérivées partielles Modèle dagent-interface Point de vue « agent » : Agents-interface interaction entre les mailles du milieu

22 22 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Veine 3D Flux Coagulation : Réacteur chimique de coagulation : 42 réactions Exemple dapplication du modèle dagent-interface

23 23 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Agent-cellule agent situé Agent-réaction agent non situé Agent-interface agent de transport Agent-interaction De lagent-cellule à lapproche systémique agent de relaxation

24 24 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Modèle générique dagent-interaction Principe dautonomie des modèles Interaction entre modèles de natures différentes Simulation multi-modèlesParadigme systémique Echange dinformatière entre organisations

25 25 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Agent interface Agent réaction ActivitéSimulateur * Phénomène (organisation) Composant Agent interaction * * * Agent cellule Agent organe Modèle générique dagent-interaction Asynchrone Chaotique

26 26 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Exemples de modèle générique dagent-interaction Cellule Noyau Cytoplasme Membrane Milieu

27 27 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Kératinocyte Macrophage Mastocyte Vaisseau capillaire Exemple dapplication du modèle dagent-interaction

28 28 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Agent-cellule agent situé Agent-réaction agent de relaxation De lagent-cellule à lapproche systémique Agent-interface agent de transport Agent-interaction multi-modèles Approche systémique

29 29 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Plan Contexte Modélisation et simulation de systèmes physiologiques humains Traitement dimages biologiques Régulation de systèmes multi-agents Conclusions et perspectives

30 30 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Traitement dimages biologiques Collaboration : IFREMER Brest ENIB : RESO, LI2 Projet européen FAIR CT [Benzinou, 2000] [Guillaud, 2000] Otolithe Statolithe

31 31 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Traitement dimages biologiques: le cas des otolithes Approches « classiques » : Contours actifs Morphologie mathématique Pointage du nucleus Approche locale Grande variabilité de linformation image

32 32 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Traitement dimages biologiques: le cas des otolithes Approche « agent » : Etat marqueur Etat enregistreur Capteurs : perception locale des contours Déplacement : perception de la continuité

33 33 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Traitement dimages biologiques: le cas des otolithes Résultats Agents simples Agents de haut niveau Bonne estimation de lâge

34 34 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Plan Contexte Modélisation et simulation de systèmes physiologiques humains Traitement dimages biologiques Régulation de systèmes multi-agents Conclusions et perspectives

35 35 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Régulation de systèmes multi-agents La biologie : source dinspiration pour la communauté SMA ? Système Multi-agents Biologie Phénomènes de régulation Régulation Métaphore biologique

36 36 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Exemple de régulation biologique Travaux en immunologie : réponse humorale Temps Population de lymphocytes B Prolifération Apoptose M T4 act. B act. CPA B Il2 Ag B B B B P P Ac Il4 Il6 Il4, Il5

37 37 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Exemple de métaphore biologique Lymphocyte BAgent Il4Stimulant AgTravail à effectuer AcTravail effectué AIS de régulation & r s r s Signal de prolifération Signal dactivation & & & Mitose Apoptose Age > maturité

38 38 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Exemple de métaphore biologique Intérêts de la régulation immunitaire : Meilleure stabilité des résultats Auto-adaptation du système Temps de traitement quasi constant

39 39 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Plan Contexte Modélisation et simulation de systèmes physiologiques humains Traitement dimages biologiques Régulation de systèmes multi-agents Conclusions et perspectives

40 40 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Conclusions Systèmes multi-agents Modélisation et simulation de phénomènes biologiques Traitement dimages biologiques Régulation biologique Métaphore pour la régulation dune population dagents Modélisation individu-centrée interactions Programmation par essaim AIS de régulation

41 41 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Activités liées à la recherche -- encadrements -- 6 Thèses co-encadrées : [Ballet, 2000], [Benzinou, 2000], [Guillaud, 2000], [Raulet, 2003] [Querrec, 2005], [Desmeulles, 2006] en cours : soutenues : 5 DEA : [Gaudillat, 1996], [Olier, 1998], [Gardie, 2001], [Desmeulles, 2003], [Bourhis, 2005] (Master recherche)

42 42 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Activités liées à la recherche -- responsabilités -- responsable du projet in virtuo du CERV: 2 PU, 2 MCU, 5 thésards, 1 ingénieur Laboratoire dhémostase virtuelle, 2005 membre élu à commission de spécialistes de lEcole Nationale dIngénieurs de Brest Depuis 2002, Depuis 1998, GIS, 2004 : Biologie intégrée et modélisation des systèmes complexes en oncologie

43 43 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Perspectives Paradigme systémique : Modélisation de systèmes biologiques complexes Interaction, organisation Itérations chaotiques et asynchrones Structuration de la modélisation Répartition : Interaction, organisation Computing on the Grid (agent based cluster) [Raulet, 2003]

44 44 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Perspectives S M A Biologie Informatique

45 45 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Habilitation à Diriger des Recherches Vincent Rodin lundi 6 décembre 2004 Contribution à lutilisation de linformatique en biologie Centre Européen de Réalité Virtuelle LISyC – EA 3883 – UBO/ENIB

46 46 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Habilitation à Diriger des Recherches Vincent Rodin lundi 6 décembre 2004 Contribution à lutilisation de linformatique en biologie Centre Européen de Réalité Virtuelle LISyC – EA 3883 – UBO/ENIB

47 47 IFSIC LI2/ENIB CERV HDR, Vincent Rodin, 6/12/2004 Habilitation à Diriger des Recherches Vincent Rodin lundi 6 décembre 2004 Contribution à lutilisation de linformatique en biologie Centre Européen de Réalité Virtuelle LISyC – EA 3883 – UBO/ENIB Merci … Claudine, David, Mickaël, Hélène Et les autres ! Et… Jacques + CERV/LI2 Jean + RESO Jean-François + CHU Laurent + CHU Pierre + CHU Régis + INSERM Nantes


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