Lire & Voir : Numérique et Sciences du vivant

Le vivant et l’ordinateur : le défi d’une science de l’organisation

Walter Fontana, leçon inaugurale au Collège de France (octobre 2019)

Source : Collège de France.

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Devenu professeur à l’Université de Harvard après un parcours en chimie à l’Université de Vienne (retracer son début de carrière serait trop long), Walter Fontana se définit lui-même comme un théoricien et informaticien travaillant sur les systèmes biologiques. Le 24 octobre 2019, il a donné la leçon inaugurale intitulée  « Le vivant et l’ordinateur : le défi d’une science de l’organisation », en ouverture de ses cours au Collège de France pour l’année 2019-2020.

Dans cette leçon, Walter Fontana établit le parallèle entre des réactions chimiques en sciences de la vie et certaines approches informatiques. Dans une première partie, il montre l’analogie entre le lambda-calcul et la « soupe de composants » qui interviennent dans des réactions chimiques. Dans une deuxième partie, il aborde certains types de réactions chimiques, en particulier les réactions auto-catalysantes. Enfin, il relie réactions chimiques et règles de réécriture, que ce soit au niveau « chimie moléculaire » ou « biologie moléculaire », en prenant l’exemple de l’action des protéines en sciences du vivant.

Pour une néophyte en chimie et biologie comme moi, cet exposé paraît plus orienté sur la chimie du vivant que sur l’informatique. Cependant, Walter Fontana émaille son exposé de considérations informatiques, par exemple sur la nécessité de « nettoyer » le graphe, décrivant une succession de réactions, de cycles inutiles, ou sur la difficulté, fréquemment rencontrée, de traiter les problèmes du fait de leur combinatoire explosive.

Comme le précise Walter Fontana à plusieurs reprises, cette leçon ne donne qu’un aperçu des différents points qui seront traités tout au long de l’année dans son cycle de cours : l’occasion sans aucun doute de définir plus précisément les concepts informatiques évoqués et leur traduction en chimie du vivant. En effet, dans cette leçon inaugurale, les moins informaticien·ne·s de l’auditoire seront probablement resté·e·s quelque peu sur leur faim car les notions et techniques informatiques sont mentionnées sans être détaillées : la diversité des points de vue donnés, côté chimie et sciences du vivant, laisse de fait peu de place à l’exposé de tous les sujets abordés.

Nathalie Revol 

Informatique et médecine

Revue DocSciences n°13, octobre 2010

Ce numéro de DocSciences est le fruit de la rencontre entre médecine et informatique. À première vue, ces deux disciplines semblent bien éloignées : que peut apporter l’informatique, science in silico du traitement automatique de l’information, à la médecine, science plus expérimentale in vivo ?

Pourtant, cette rencontre est fructueuse : la modélisation mathématique et la simulation informatique permettent de réaliser de façon répétée des expériences in vitro. Leur but ? Aider au diagnostic, participer à la conception et l’évaluation de nouvelles thérapies, contribuer à l’enseignement de la médecine, ou encore préparer et simuler des interventions chirurgicales virtuelles. Construire un modèle mathématique, c’est exprimer un phénomène observé à l’aide d’équations, en y incluant les connaissances médicales. La simulation numérique est alors la résolution de ces équations grâce à un ordinateur. En médecine, cette modélisation est particulièrement délicate, tant les structures des organes et leur fonctionnement – mécanique ou électro-chimique – sont complexes. Cependant, bien qu’imparfaites, les simulations numériques conduisent à des résultats exploitables par les médecins.

Désormais, un nombre croissant de chercheurs travaille à cette interface. Ce numéro présente le résultat de leurs recherches selon deux axes complémentaires : l’un thérapeutique visant à une meilleure prise en charge des patients, l’autre plus fondamental cherchant à mieux comprendre le fonctionnement des organes tels que les muscles, le cœur ou le cerveau.

La revue DocSciences, éditée par le CRDP de l’académie de Versailles, est destinée plus particulièrement aux enseignants et aux lycéens. Ce numéro est le troisième réalisé en partenariat avec Inria.

Le numérique et les sciences du vivant

Revue DocSciences n°8, novembre 2009

« Le grand livre de la nature est écrit en langage mathématique. »
Cette phrase de Galilée, célèbre sous cette forme synthétique – un vrai slogan – marque les débuts de la science moderne. Et il est vrai que les quatre derniers siècles ont largement confirmé la puissance des mathématiques pour la compréhension du monde physique.

Mais il n’est pas certain que la nature dont parlait Galilée incluait le monde vivant…
De fait, la biologie n’a pas bénéficié des mathématiques à la hauteur de la physique. Pourquoi ? Plutôt que de mettre en cause les biologistes eux-mêmes, ce que d’aucuns n’hésitent pourtant pas, malicieusement, à faire, il est certainement plus juste de s’interroger sur les spécificités de cette science. La quasi-absence de lois universelles directement exprimables sous forme mathématique et la très grande variété d’objets biologiques, et plus encore de leurs interrelations, peuvent expliquer le rôle sans cesse croissant de l’informatique en biologie, non pas seulement à travers les moyens de calcul qu’elle rend disponibles, mais par la diversité des modélisations qu’elle permet.

Cette diversité est manifeste dans les articles de ce numéro de DocSciences, rédigés par des chercheurs qui ont placé leur domaine d’activité à l’interface du numérique et du vivant.
De la population à la molécule, le tout dans le contexte des processus évolutifs, leurs travaux font appel aux équations différentielles comme aux techniques de synthèse d’images, aux processus markoviens comme aux algorithmes d’analyse de chaînes de caractères…

Tous les domaines de l’informatique sont désormais sollicités dans cette enthousiasmante exploration du vivant.

La revue DocSciences, éditée par le CRDP de l’académie de Versailles, est destinée plus particulièrement aux enseignants et aux lycéens. Ce numéro est le deuxième réalisé en partenariat avec Inria, dont de nombreuses équipes de recherche travaillent à la conception de modèles en biologie, médecine, écologie et environnement.

Vers une science de la vie mentale

Stanislas Dehaene, leçon inaugurale au Collège de France (avril 2006)

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Nos opérations mentales, notre pensée, notre conscience sont-ils des objets d’études scientifiques ? C’est la réponse positive à cette question qui a fait entrer Stanislas Dehaene au Collège de France sur une chaire de « psychologie », c’est-à-dire de la science de la vie mentale, ou science de la vie cognitive, qui tente d’énoncer les lois générales de la pensée.

De la perception à l’acte moteur,  du mot au concept, de l’émotion aux souvenirs, de l’introspection à la décision, de la pensée consciente à la pensée inconsciente, le décryptage des opérations mentales permet d’énoncer quelques lois générales et d’en comprendre les origines.

Le basculement de l’énoncé d’idées générales à la découverte de résultats reproductibles au sein de toute l’espèce humaine (quand ce n’est pas dans une grande partie du règne animal) s’est fait grâce à trois leviers. D’abord, le choix d’étudier en profondeur des problèmes très étroits, comme la reconnaissance des visages ou la sélection animale de l’action. Ensuite, le fait de proposer des lois réfutables ou non par l’expérience : nous ne sommes plus dans le domaine des hypothèses mais dans celui des vérifications. Enfin, l’alliance de toutes les sciences invitées à contribuer à cet extraordinaire chantier : biochimie, neurologie, physique, modélisation mathématique et informatique.

Ainsi, les sciences du numérique se retrouvent sollicitées à plusieurs reprises. Des données de l’imagerie cérébrale sont analysées en collaboration avec des mathématiciens et informaticiens. Une fonction cognitive est décrite par un algorithme formel, puis mise en relation avec tous les niveaux d’organisation du cerveau. On ne réduit pas ici un cerveau à un ordinateur : c’est au contraire dans leurs profondes différences que l’on apprend mieux comment fonctionnent l’un et l’autre.

Au cours de cette leçon inaugurale, Stanislas Dehaene illustre son propos par l’étude du sens du nombre, de l’arithmétique élémentaire donc, au niveau du cerveau animal ou humain, fût-il un bébé. Il nous montre la capacité de ces cerveaux à évaluer, sans symbole ni langage, par exemple des quantités de nourriture ou d’adversaires. Il décrit le recyclage des régions cérébrales ancestrales pour implémenter de nouvelles fonctions humaines. Il évoque aussi les liens entre conscience et cerveau.

On découvre l’impact majeur de cette science au plus intime de notre vie ou de celle de nos enfants. Par exemple, pour l’apprentissage de la lecture, des réponses définitives sont données à une certaine errance pédagogique dite « méthode globale ». On imagine que la réflexion philosophique sur ces sujets ne peut plus ignorer de tels résultats scientifiques. La responsabilité juridique pourrait même devoir être repensée à la lumière des recherches sur ce que nous appelons libre-arbitre.

Thierry Viéville

Les canaux ioniques : générateurs de bioélectricité, cibles essentielles de médicaments

Michel Lazdunski, conférence donnée dans le cadre du Colloquium Jacques Morgenstern à Sophia Antipolis (février 2006).

Présentation et vidéo.

Cet exposé explique le fonctionnement des canaux ioniques, et comment il peut être modifié en utilisant des outils informatiques. Dans le cerveau, les canaux ioniques sont les « nanomachines » à l’origine des signaux électriques générés par les cellules excitables, au premier rang desquelles viennent les cellules nerveuses, mais qui incluent également les cellules cardiaques, musculaires, etc. Ils sont impliqués dans une grande variété de pathologies : arythmies cardiaques et mort subite, épilepsies, sclérose en plaques, etc., et probablement les maladies mentales. Modifier le fonctionnement des canaux ioniques peut bien entendu conduire aussi à des désordres graves, voire mortels, du fonctionnement bioélectrique. C’est ce qui arrive par exemple sous l’effet des « armes biologiques ». Mais modifier ce fonctionnement a heureusement un grand intérêt thérapeutique, et les STIC fournissent les outils permettant cette avancée scientifique.