Utilisation des champs de Markov pour le nommage d'embryons d'ascidies

7 Novembre 2024

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Catégorie : Stagiaire

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Le but de ce stage est d’utiliser le cadre des champs de Markov pour nommer les cellules d’embryons d’ascidie.

La biologie du développement vise à comprendre la dynamique de la formation des tissus ou des organes au sein d'un organisme. Pour étudier le développement, de nombreux organismes modèles sont utilisés. La plupart d'entre eux sont des animaux, comme le nématode C. elegans ou la drosophile. Chacun de ces modèles a sa propre spécificité, qui peut le rendre plus adapté à l'observation et/ou à l'analyse. Par exemple, le nématode C. elegans est transparent, ce qui le rend idéal pour l'observation au microscope optique, et il a un développement stéréotypé remarquable, chaque adulte ayant exactement le même nombre de cellules somatiques, chaque cellule ayant son homologue chez les autres individus. En d'autres termes, chaque cellule peut être identifiée par un nom (Sulston, 1983). Cette dernière propriété permet non seulement d'effectuer des comparaisons cellulaires dans les études de population, mais aussi d'agréger différents types de cellules.

En ce qui concerne les vertébrés, les souris sont généralement le modèle de prédilection. Cependant, en tant que proches parents des vertébrés, les tuniciers sont également largement utilisés comme modèles pour étudier le développement embryonnaire, les ascidies étant le groupe le plus important parmi les tuniciers. Les embryons de certaines espèces d'ascidies sont transparents, ce qui les rend aptes à l'observation microscopique. Enfin, le développement des embryons d'ascidies (dans les premiers stades) est stéréotypé au niveau cellulaire, comme le nématode C. Elegans, et ce, même d'une espèce à l'autre. Cette stéréotypie a permis le développement de nomenclatures (Kofold, 1893 ; Castle, 1896 ; Conklin, 1905) à partir d'observations en microscopie optique, qui fournissent des noms non ambigus pour les cellules embryonnaires pendant les premiers stades du développement.

Afin d’agréger des informations (par exemple d’expression génique) par cellule, il est donc nécessaire de pouvoir « nommer » les cellules d’un embryon à un instant quelconque. Ce projet vise à inférer les noms des cellules d’un embryon (issu d’une image 3D) à partir d’une base d’embryons en développement (issus de séries temporelles d’images 3D) déjà nommés (Guignard, 2020). Si le nombre de cellules est représentatif du stade de développement, il n’existe pas une exacte correspondance entre les cellules de deux embryons ayant le même nombre de cellules, à cause de l’hétérochronie des divisions (l’ordre temporel des divisions cellulaires est différent d’un embryon à l’autre). Par contre, il est possible de quantifier une similarité entre les cellules de deux embryons (Malandain, 2024), avec laquelle on peut estimer des probabilités empiriques de nommage pour chaque cellule. Par ailleurs, un embryon peut être représenté comme un graphe (les cellules étant les nœuds, les arêtes étant les adjacences entre cellules), ce qui introduit naturellement des probabilités conjointes entre les noms de deux cellules adjacentes.

Il s’agit alors de proposer un champ de Markov dans un cadre Bayésien sur le graphe défini par l’embryon étudié. La vraisemblance et l’a priori (interactions entre cellules voisines sur le graphe) seront inférés par une analyse statistique de la base de données d’embryons annotés. Le nommage des différentes cellules sera obtenu par l’optimisation du modèle par recuit simulé. Pour ce faire, la contrainte d’unicité de la cellule pour un nom donné sera préservée par une dynamique de type Kawasaki.

Pré-requis:

1. Dernière année de master en informatique ou en mathématiques appliquées (avec un intérêt pour la biologie).
2. Compétences informatiques : programmation (python)
3. Anglais écrit et parlé

Informations pratiques :

1. Ce travail s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre le CRBM (P. Lemaire) et Morpheme, une équipe de recherche commune entre l'INRIA, le CNRS et l'Université de Nice Côte d'Azur.
2. Ce stage est situé à Sophia Antipolis (Côte d'Azur, France).
3. Ce stage est rémunéré
4. Durée du stage : 6 mois, début prévu : début 2025
5. Pour postuler, veuillez envoyer un curriculum vitae, les coordonnées de personnes de référence et une lettre de motivation à

• Xavier Descombes (Xavier.Descombes@inria.fr)
• Grégoire Malandain (Gregoire.Malandain@inria.fr)

Références :

Castle, WE (1896). The early embryology of ciona intestinalis, Flemming (L.). Bulletin of the Museum of Comparative Zoology, vol. XXVII, n. 7, pp 202-310

Conklin EG (1905). The Organization and Cell-Lineage of the Ascidian Egg. J. Acad., Nat. Sci. Phila. 13, 1.

Guignard, L., Fiuza, U.-M., Leggio, B., Laussu, J., Faure, E, Michelin, G., Biasuz, K. Hufnagel, L., Malandain, G., Godin, C. and Lemaire, P. (2020). Contact area–dependent cell communication and the morphological invariance of ascidian embryogenesis. Science, 369(6500), eaar5663

Kofold, CA (1893). On Some Laws of Cleavage in Limax. A Preliminary Notice. Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences, Vol. 29,pp. 180-203

Malandain G, Lemaire P (2024) . Detecting symmetry in ascidian embryo. ISBI 2024 - 21th International Symposium on Biomedical Imaging, Athenes, Greece.

Sulston E, Schierenberg E, White JG , and Thomson JN (1983). The embryonic cell lineage of the nematode caenorhabditis elegans, Dev Biol, vol. 100, no. 1, pp. 64–119.