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Neurosciences

Laure Guion - 6/03/2012

Le projet NiConnect, pour comprendre notre cerveau même au repos

© Inria / CEA, Neurospin

NiConnect est un projet Investissements d’avenir accepté il y a seulement quelques semaines. Rencontre avec son jeune porteur de projet, Gaël Varoquaux de l’équipe-projet Parietal, qui nous explique les objectifs de ce travail de recherche en bio-informatique.

Peux-tu nous présenter le domaine d’expertise dans lequel intervient NiConnect ?

Ce projet intervient sur la problématique des neurosciences et du médical. Notre outil de base est donc l’IRM standard pour regarder travailler le cerveau. Notre première étape est de recréer un « film » avec les différents instantanés du cerveau fournis par l’IRM en imagerie fonctionnelle. C’est-à-dire que nous voyons la consommation d’oxygène dans chaque partie du cerveau, et que nous pouvons ainsi déterminer les zones activées qui consomment plus, ainsi que la durée de l’activation de telle ou telle zone, son intensité… Beaucoup d’expériences en sciences cognitives sont basées sur un stimulus (penser à une action précise, à un objet…) et l’analyse des réactions du cerveau du sujet face à cela. Il est ainsi possible de déterminer une structure de fonctionnement du cerveau.

La spécificité de NiConnect est d’analyser le cerveau au repos, son "activité de fond" comme le nomme Andreas Kleinschmidt, chercheur à l’Inserm et qui fait partie du projet. En l’absence de stimuli, il y a toujours une structure qui gère le cerveau, on ne passe pas en mode veille avec un néant cérébral, heureusement ! Mais il y a encore eu peu d’études sur les types d’activation de zones qui correspondent à l’exécution d’activités normalement. Notre rôle est donc de proposer des outils informatiques et statistiques pour extraire des structures de repos, et ainsi analyser de façon quantitative leur variabilité. C’est un important travail de mathématiques appliquées, et le projet NiConnect est un aboutissement de plusieurs années de travail sur le sujet.

Travailler sur le cerveau au repos nous permet d’aider
des personnes qui auraient sinon difficilement accès à l’IRM.

On peut se demander pourquoi s’intéresser à l’analyse du fonctionnement du cerveau au repos, d’autant que comme les sujets ne reçoivent pas d’instructions, ils peuvent penser à beaucoup de choses et que les analyses sont encore plus difficiles. Mais nos analyses sont ainsi possibles sur des personnes sédatées, comme par exemple un patient atteint de la maladie de Parkinson qui aurait du mal à contrôler ses mouvements et ne pourrait pas passer d’IRM. Notre but est de servir des personnes qui auraient difficilement accès à ce type d’analyse. À plus long terme, nous espérons  étendre nos travaux à des personnes inconscientes, et ainsi envisager d'aider  au pronostic de sortie de coma par exemple.

Dans le détail, quels sont les différents axes de recherche de NiConnect ?

Le projet est organisé autour de plusieurs volets. Tout d’abord, nous devons produire un logiciel d’analyse des images d’IRM pour les chercheurs cliniques. Il s’agit avant tout d’une consolidation de ce qui est disponible en recherche fondamentale, de créer un outil solide rassemblant cette connaissance. Cela va passer par le recrutement de trois ingénieurs échelonnés sur quatre ans. Par la suite, après avoir capitalisé sur l’existant, nous souhaitons développer de nouveaux modèles et algorithmes pour modéliser l’état de repos. Pour cette partie, nous travaillons avec le Centre Analyse et Traitement d’Images (CATI) au CEA qui sert de centre de traitement de données du Plan Alzheimer, ainsi qu’avec une petite société d’informatique scientifique, Logilab.

Dans un deuxième volet, nous allons analyser automatiquement une importante banque de données d’images cérébrales standard pour étalonner nos modèles. Plus précisément, nous voulons analyser automatiquement les images en collaboration avec le laboratoire d’imagerie fonctionnelle de l’Inserm à la Pitié-Salpêtrière, et en détecter les anomalies, mais uniquement celles dues à des pathologies. Sur une prise de vue, nous devons être capable de distinguer le réel problème  neurologique du scanner qui dysfonctionne.  En corrigeant l’algorithme qui réagit mal sur le 2e cas, le logiciel permettra peu à peu aux praticiens de n’être alertés que sur les vrais problèmes.

Régions cérébrales et leurs interactions apprises à partir d'IRM de repos, © Inria

Enfin, le dernier axe est notre participation à une étude clinique en cours sur la maladie de Parkinson, qui est menée à l’hôpital Henri Mondor avec le neurochirurgien Stéphane Palfi. Il s’agit d’un test pour un nouveau traitement de la maladie, qui a été validé sur quelques patients. Nous en sommes aujourd’hui à une étape plus importante, avec un test sur une vingtaine de patients. Il y a énormément de mesures de toutes sortes, avec entre autres de l’imagerie cérébrale. Les données sont très bruitées, c’est-à-dire qu’elles sont difficiles à analyser avec beaucoup de parasites, ce qui constitue un vrai problème statistique. Notre but est dans ce cas d’apporter les éléments les plus fiables aux médecins afin qu’ils puissent prendre les bonnes décisions.

Le premier axe nous sert donc à créer l’outil, le deuxième volet à le calibrer et enfin le troisième nous donne une validation grandeur nature. Il s’agit donc d’un projet très complet, où les différents volets se succèdent, mais avec tout de même des périodes de recoupement pour permettre une rétroaction, pour apporter des corrections en revenant sur le point précédent. C’est très important car on fait se parler des personnes avec des cultures très différentes, et il y a un vrai besoin de se comprendre pour aboutir à un résultat qui marche. Un autre point fondamental est que tous les partenaires se connaissaient d’avance : nous sommes tous en région parisienne, nous pouvons ainsi nous voir souvent pour avancer ensemble.

Être porteur d’un tel projet alors que tu viens d’être recruté comme chargé de recherche, c’est assez rare non ?

Oui, j’en suis encore stupéfait ! J’ai eu un parcours assez particulier, puisque je viens au départ de la physique, mon premier post-doc à Florence concernait la physique quantique ! Puis j’ai voulu m’attaquer à des problèmes plus ouverts, faire un travail sur des systèmes complexes comme le cerveau. J’étais dans une période de réflexion sur mon orientation, donc je suis parti travailler aux États-Unis dans une société privée de logiciel scientifique, avec justement des applications dans les neurosciences. À mon retour, j’ai contacté l’équipe Parietal pour faire un nouveau post-doc, puis un 3e pour parfaire ma maîtrise du domaine, toujours à Neurospin mais dans une équipe de l’Inserm. Et enfin me voilà embauché dans l’équipe de Bertrand Thirion.
Ce parcours tortueux m’a apporté des compétences particulières, notamment en modélisation en physique et dans l’expérimentation des problèmes réels.

Le fait que je sois le plus jeune ne m’interdit pas d’être le porteur
du projet, car mon parcours m’a permis d’être la bonne personne
pour coordonner NiConnect.

Mais je reste tout de même épaté, car j’ai été recruté seulement en octobre 2011, et la deadline pour déposer le projet était au début de novembre ! On avait commencé à travailler dessus avant bien évidemment, mais c’est tout de même me donner des responsabilités très rapidement. Le fait que je sois le plus jeune ne m’interdit pas d’être le porteur du projet, car c’est vraiment mon domaine de compétences. Ça ne veut pas dire qu’il n’y a pas de personnes plus seniors, qui font partie du projet, mais c’est mon parcours particulier qui m’a permis d’être la bonne personne pour coordonner ce projet.

Nous savons que nous avons été sélectionné car nous répondons à une problématique importante et que nous avions monté un partenariat fort. Mais rien n’était gagné, car le projet est assez atypique, puisque normalement la recherche traditionnelle en statistique et algorithmique consiste généralement à développer des algorithmes et des modèles, et que là nous allons plus loin. Dans ce projet, on dit qu’il faut aller au-delà pour avoir un impact, c’est-à-dire aller sur le terrain, faire un réel effort de génie logiciel pour que ça tourne sur de grandes masses de données. Et du coup l’acceptation de ce projet nous fait vraiment plaisir car cela signifie que l’on donne des moyens pour consolider et mettre en application sur de vraies données. On en est encore au tout début, le projet n’a été validé qu’il y a quelques semaines, l’équipe va pleinement se mettre en place quand nous aurons recruté les ingénieurs et les post-docs dont nous avons besoin.

Mots-clés : Gaël Varoquaux NiConnect Saclay - Île-de-France Parietal Neurosciences Investissement d'avenir

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