NeuroMechFly, le premier “jumeau numérique” précis de la mouche. Drosophila melanogasteroffre un banc d’essai très précieux pour les études qui font progresser la biomécanique et la biorobotique. Cela pourrait contribuer à ouvrir la voie à des robots semblables à des mouches, comme celui illustré ici. Crédit : EPFL
Un jumeau numérique de la drosophile
“Nous avons utilisé deux types de données pour construire NeuroMechFly”, explique le professeur Pavan Ramdya de la Faculté des sciences de la vie de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL). “Tout d’abord, nous avons pris une vraie mouche et effectué un scanner pour construire un modèle biomécanique morphologiquement réaliste. La deuxième source de données était les mouvements réels des membres de la mouche, obtenus à l’aide d’un logiciel d’estimation de pose que nous avons développé ces deux dernières années et qui nous permet de suivre précisément les mouvements de l’animal.”
Le groupe de Ramdya, en collaboration avec le groupe du professeur Auke Ijspeert du Laboratoire de biorobotique de l’EPFL, publie un article aujourd’hui (11 mai 2022) dans la revue. Nature Methods présentant le tout premier “jumeau numérique” précis de la mouche. Drosophila melanogastersurnommée “NeuroMechFly”.
Le temps passe
Drosophila est l’insecte le plus couramment utilisé dans les sciences de la vie et un axe de recherche à long terme pour Ramdya, qui travaille depuis des années sur le suivi et la modélisation numériques de cet animal. En 2019, , son groupe a publié DeepFly3D, un logiciel de capture de mouvement basé sur l’apprentissage profond qui utilise plusieurs vues de caméra pour quantifier les mouvements de l’animal. Drosophila dans un espace tridimensionnel.
Poursuite de l’apprentissage profond, en 2021. L’équipe de Ramdya a publié LiftPose3D.une méthode permettant de reconstruire des poses d’animaux en 3D à partir d’images en 2D prises par une seule caméra. Ce type de percées a fourni aux domaines en pleine expansion des neurosciences et de la robotique d’inspiration animale des outils dont l’utilité ne peut être surestimée.
Un modèle numérique de Drosophila melanogaster appelé NeuroMechFly. Crédit : Pavan Ramdya (EPFL)
A bien des égards, NeuroMechFly représente l’aboutissement de tous ces efforts. Contraint par les données morphologiques et cinématiques de ces études précédentes, le modèle comporte des parties informatiques indépendantes qui simulent différentes parties du corps de l’insecte. Cela comprend un exosquelette biomécanique avec des parties du corps articulées, telles que la tête, les pattes, les ailes, les segments abdominaux, la trompe, les antennes, les halteres (organes qui aident la mouche à mesurer sa propre orientation pendant le vol), et des “contrôleurs” à réseau neuronal avec une sortie motrice.
Pourquoi construire un jumeau numérique de Drosophila?
“Comment savoir si l’on a compris un système ? dit Ramdya. “Une façon de le savoir est de pouvoir le recréer. Nous pouvons essayer de construire une mouche robotisée, mais il est beaucoup plus rapide et facile de construire un animal simulé. L’une des principales motivations de ce travail est donc de commencer à construire un modèle qui intègre ce que nous savons du système nerveux et de la biomécanique de la mouche, afin de tester si cela suffit à expliquer son comportement.”
“Lorsque nous faisons des expériences, nous sommes souvent motivés par des hypothèses”, ajoute-t-il. “Jusqu’à présent, nous nous sommes appuyés sur l’intuition et la logique pour formuler des hypothèses et des prédictions. Mais à mesure que les neurosciences deviennent de plus en plus compliquées, nous nous appuyons davantage sur des modèles capables de rassembler de nombreux composants entrelacés, de les faire jouer et de prédire ce qui pourrait se passer si l’on apportait une modification ici ou là.”
Le banc d’essai
NeuroMechFly offre un banc d’essai très précieux pour les études qui font progresser la biomécanique et la biorobotique, mais seulement dans la mesure où il représente fidèlement l’animal réel dans un environnement numérique. Vérifier cet aspect était l’une des principales préoccupations des chercheurs. “Nous avons réalisé des expériences de validation qui démontrent que nous pouvons reproduire fidèlement les comportements de l’animal réel”, explique M. Ramdya.
Les chercheurs ont d’abord effectué des mesures 3D de vraies mouches marchant et se toilettant. Ils ont ensuite reproduit ces comportements en utilisant l’exosquelette biomécanique de NeuroMechFly dans un environnement de simulation basé sur la physique.
Jonathan Arreguit, Victor Lobato Ríos, Auke Ijspeert, Pavan Ramdya, Shravan Tata Ramalingasetty, et Gizem Özdil. Crédit : Alain Herzog (EPFL)
Comme ils le montrent dans leur article, le modèle peut en fait prédire divers paramètres de mouvement qui ne sont pas mesurés autrement, tels que les couples des jambes et les forces de réaction de contact avec le sol. Enfin, ils ont pu utiliser l’ensemble des fonctionnalités de NeuroMechFly.les capacités neuro-mécaniques pour découvrir les paramètres du réseau neuronal et des muscles qui permettent à la mouche de “courir” d’une manière qui est optimisée à la fois pour la vitesse et la stabilité.
“Ces études de cas ont renforcé notre confiance dans le modèle”, déclare Ramdya. “Mais ce qui nous intéresse le plus, c’est de savoir quand la simulation ne parvient pas à reproduire le comportement de l’animal, ce qui met en évidence les moyens d’améliorer le modèle.” Ainsi, NeuroMechFly représente un puissant banc d’essai pour mieux comprendre comment les comportements émergent des interactions entre des systèmes neuro-mécaniques complexes et leur environnement physique.
Un effort communautaire
Ramdya souligne que NeuroMechFly a été et restera un projet communautaire. En tant que tel, le logiciel est open source et les scientifiques peuvent l’utiliser et le modifier librement. “Nous avons construit un outil, pas seulement pour nous, mais aussi pour les autres. Par conséquent, nous l’avons rendu open source et modulaire, et nous fournissons des directives sur la façon de l’utiliser et de le modifier.”
“De plus en plus, les progrès de la science dépendent d’un effort communautaire, ajoute-t-il. Il est important pour la communauté d’utiliser le modèle et de l’améliorer. Mais l’une des choses que NeuroMechFly fait déjà est de relever la barre. Auparavant, comme les modèles n’étaient pas très réalistes, nous ne nous demandions pas comment ils pouvaient être directement informés par les données. Ici, nous avons montré comment le faire ; vous pouvez prendre ce modèle, rejouer les comportements et en déduire des informations significatives. Je pense donc que c’est un grand pas en avant.”
Référence : “NeuroMechFly, un modèle neuro-mécanique de l’adulte”. Drosophila melanogaster” par Victor Lobato Ríos, Shravan Tata Ramalingasetty, Pembe Gizem Özdil, Jonathan Arreguit, Auke Jan Ijspeert et Pavan Ramdya, 11 mai 2022, Nature Methods.
DOI: 10.1038/s41592-022-01466-7
