Qu’est-ce que le Projet OpenWorm et Pourquoi est-il Important ?
Un Modèle Cellulaire Innovant
OpenWorm est un projet de science ouverte international visant à simuler le nématode Caenorhabditis elegans au niveau cellulaire. Ce projet ambitieux a pour objectif à long terme de modéliser toutes les 959 cellules de C. elegans, en commençant par la locomotion du ver grâce à la simulation de ses 302 neurones et 95 cellules musculaires. Cette simulation de bas en haut est entreprise par la communauté OpenWorm.
Les Avancées Technologiques du Projet
En 2014, un moteur physique appelé Sibernetic a été développé pour le projet. Des modèles du connectome neural et d’une cellule musculaire ont été créés en format NeuroML. Un modèle 3D de l’anatomie du ver est accessible en ligne via le navigateur OpenWorm. De plus, le projet contribue au développement de Geppetto, une plateforme de simulation multi-algorithmes et multi-échelles conçue pour supporter la simulation de l’organisme entier.
L’Importance de C. elegans dans la Recherche
Le nématode Caenorhabditis elegans est un nématode transparent de 1 mm de longueur, vivant dans des environnements tempérés. Il possède l’un des systèmes nerveux les plus simples, avec seulement 302 neurones chez le type hermaphrodite. Le connectome structurel de ces neurones est entièrement connu. Avec moins de mille cellules dans tout le corps, chaque cellule de C. elegans a un identifiant unique et une littérature de soutien complète. En tant qu’organisme modèle, son génome est entièrement séquencé, et de nombreux mutants bien caractérisés sont disponibles, avec une abondante littérature de recherches comportementales.
La Simulation : Un Défi Technique
L’objectif initial d’OpenWorm est de simuler une simple réponse motrice : apprendre au ver à ramper. Pour cela, le ver virtuel est placé dans un environnement virtuel. Un cycle de rétroaction complet est établi : Stimulus Environnemental > Transduction Sensorielle > Décharge des Interneurones > Décharge des Motoneurones > Réponse Motrice > Changement Environnemental > Transduction Sensorielle.
Les principaux défis techniques sont de modéliser les propriétés neurales/électriques du cerveau et les propriétés mécaniques du corps en mouvement. Les propriétés neurales sont modélisées par un modèle de Hodgkin-Huxley, et les propriétés mécaniques par un algorithme de Smoothed Particle Hydrodynamics.
La Contribition de Geppetto
L’équipe d’OpenWorm a construit un moteur appelé Geppetto capable d’intégrer ces algorithmes. Grâce à sa modularité, il pourra modéliser d’autres systèmes biologiques, comme la digestion. Ils ont également développé un environnement nommé NeuroConstruct pour produire des structures neurales en NeuroML. En utilisant NeuroConstruct, l’équipe a reconstruit le connectome complet de C. elegans et a construit un modèle de cellule musculaire.
Les Progrès et les Défis Restants
En janvier 2015, le projet attendait encore une évaluation par les pairs. Le coordinateur Stephen Larson estimait qu’ils étaient “seulement à 20 ou 30 % de là où ils doivent arriver”. En 2021, une émulation complète du cerveau n’avait pas encore été réalisée.
Projets Similaires
En 1998, des chercheurs japonais ont annoncé le projet Perfect C. elegans, qui semble avoir été abandonné. En 2004, un groupe de Hiroshima a commencé le projet Virtual C. elegans, publiant deux articles montrant comment leur simulation réagissait à des stimuli virtuels. En 2005, un chercheur texan a décrit un simulateur simplifié de C. elegans utilisant un réseau 1-wire avec un processeur Parallax Basic Stamp, des entrées sensorielles et des sorties motrices.
Ces premières tentatives ont été critiquées pour leur manque de réalisme biologique. Malgré la connaissance du connectome structurel, les poids synaptiques des synapses et leur nature inhibitrice ou excitatrice restent inconnus. Le groupe d’Hiroshima a utilisé l’apprentissage automatique pour déterminer certains poids synaptiques afin de générer le comportement souhaité, ce qui ne représente pas nécessairement une compréhension réelle du système.
L’Engagement envers la Science Ouverte
La communauté OpenWorm s’engage pour les idéaux de la science ouverte. Cela implique de publier dans des revues en libre accès et de rendre toutes les données collectées accessibles publiquement. Les cinq publications du groupe sont disponibles gratuitement sur leur site web, et tous les logiciels produits par OpenWorm sont open source.
OpenWorm expérimente également un modèle de collaboration scientifique radicalement ouvert, avec plus de cent membres inscrits à la liste de diffusion technique. Les membres actifs, provenant de Russie, du Brésil, d’Angleterre, d’Écosse, d’Irlande et des États-Unis, utilisent des réunions de laboratoire virtuelles et d’autres outils en ligne pour coordonner leurs efforts internationaux.
