Logiciel de simulation pour la recherche sur les mystères du cerveau
Le cerveau est un organe hautement régulé dont le bon fonctionnement repose sur les interactions précises entre les neurones, les cellules gliales et le milieu environnant. L’espace extracellulaire (ECS pour «extracellular space»), c’est-à-dire le réseau d’espaces microscopiques remplis de liquide situé entre les cellules du cerveau, est un élément essentiel de cet environnement, mais il est souvent négligé. En effet, bien qu’il soit impliqué dans le transport moléculaire, la communication cellulaire et l’administration de médicaments, il est resté sous-étudié pendant de nombreuses années. Deux découvertes récentes ont considérablement accru l’intérêt pour la recherche sur l’ECS. La première est l’identification du système glymphatique, une voie de dégagement qui élimine les déchets métaboliques, y compris les protéines toxiques comme la bêta-amyloïde, impliquée dans la maladie d’Alzheimer. Le second est le rôle que joue l’ECS dans les crises d’épilepsie et dans la propagation des signaux moléculaires.
Logiciel de simulation pour l’étude de l’ECS
La compréhension du processus de transport des macromolécules dans l’ECS est susceptible d’aider à étudier les maladies neurodégénératives et les processus neuropharmacologiques, en particulier l’administration de médicaments dans le système nerveux central. Même si le Human Brain Project a permis des avancées considérables dans le domaine des neurosciences, il ne traitait pas spécifiquement de la modélisation de l’espace extracellulaire. Mené avec le soutien du programme https://marie-sklodowska-curie-actions.ec.europa.eu/?etrans=fr (Actions Marie Skłodowska-Curie) (MSCA), le projet HESSP a suivi une approche in silico pour faire avancer le domaine et modéliser la diffusion des substances dans l’espace extracellulaire, en particulier dans l’hippocampe. Cette région a été choisie en raison de sa structure bien définie, de sa pertinence pour tester les hypothèses de diffusion et de son implication dans la maladie d’Alzheimer.
Relever les défis informatiques
«La simulation du mouvement de milliards de molécules est très exigeante sur le plan informatique, c’est pourquoi nous avons dû surmonter les limites de capacité de mémoire des ressources existantes», explique Sergio Miguel Tomé, titulaire d’une bourse MSCA. Dans ce but, l’équipe a développé un outil de calcul innovant, conçu de manière optimale pour simuler efficacement la diffusion de millions de particules. Le simulateur hybride de particules avancées (HAPS pour «hybrid advanced particles simulator») permet aux chercheurs de mener des expériences en ajustant les géométries de l’environnement, le nombre de particules libérées et en attribuant des coefficients de diffusion pour étudier l’espace extracellulaire.
Aspects techniques de HAPS
HAPS a été conçu avec une interface graphique conviviale, ce qui le rend accessible aux chercheurs et aux formateurs qui n’ont pas d’expertise en programmation. Il simule la diffusion sur la base de mouvements browniens et, grâce à un algorithme optimisé, il permet de suivre le déplacement des particules dans des environnements tridimensionnels. Le logiciel calcule la position de chacune à des moments successifs. Il utilise une approche à deux niveaux, un modèle de calcul pour les mouvements à petite échelle et un autre pour la diffusion à longue distance. Cette méthode permet de simuler un grand nombre de particules tout en conservant une grande efficacité de calcul. Par conséquent, HAPS surmonte les limitations de la mémoire matérielle qui ont entravé la recherche sur les ECS jusqu’à aujourd’hui.
Recherche et impact éducatif de HAPS
Le logiciel devrait avoir un impact sur l’enseignement universitaire et la recherche neuroscientifique. Une version gratuite de HAPS sera mise à la disposition des professeurs d’université et des étudiants en tant qu’outil pédagogique pour améliorer la compréhension et l’engagement dans des disciplines telles que les neurosciences, la pharmacologie et la biologie computationnelle. Du point de vue de la recherche, HAPS fera progresser les études in silico sur la diffusion dans l’ECS et pourrait également être utilisé dans la recherche sur l’administration de médicaments pour les maladies neurodégénératives. «La simulation de la diffusion dans des zones anatomiques complexes nécessite un développement continu du logiciel afin d’intégrer des représentations plus détaillées des structures neuronales et des micro-environnements», souligne Sergio Miguel Tomé. Les efforts à venir se concentreront sur l’optimisation du logiciel et sur son adaptation aux besoins futurs.
Mots‑clés
HESSP, HAPS, cerveau, espace extracellulaire, logiciel de simulation, maladie neurodégénérative, mouvement brownien, hippocampe