La révolution informatique en médecine, ingénierie et science au coeur de la conférence annuelle 2014 de TAMEST

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Comme chaque année, "The Academy of Medicine, Engineering & Science in Texas" (TAMEST) a tenu sa 11ème conférence annuelle, les 16 et 17 janvier derniers à Lost Pines près d’Austin. Fondée en 2004 sous l’impulsion de la Sénatrice Kay Bailey Hutchison en collaboration avec les lauréats des prix Nobel Dr. Michael Brown et Dr. Richard Smalley, cette académie, très sélective, a pour but de regrouper les meilleurs scientifiques, académiciens et têtes pensantes de l’état pour élever la reconnaissance scientifique du Texas au niveau national [1], [2]. Ainsi depuis sa création, le Texas est passé de la 6ème à la 3ème position dans le classement national des financements fédéraux pour la recherche, l’objectif étant évidemment d’arriver à la 1ère place.

Pour atteindre cet objectif, TAMEST favorise les collaborations entre scientifiques, ingénieurs et médecins au sein du Texas et promeut l’excellence du Texas dans les domaines scientifiques en dehors des frontières de l’Etat. Lors de son discours d’introduction à la conférence, la Sénatrice Hutchison a mis l’accent sur la volonté des membres de l’Académie de transmettre leur savoir à la nouvelle génération et s’est félicitée de constater que cette année de jeunes chercheurs ont rejoint l’Académie qui compte maintenant 263 membres en incluant 10 lauréats texans de prix Nobel.


Logo "Acamedy of medecine, engineering & science of Texas"
Crédits : TAMEST


La thématique scientifique retenue cette année a été la "révolution informatique". En effet, une vraie révolution s’est produite ces dernières années dans l’ensemble des domaines scientifiques grâce aux supercalculateurs et à de nouveaux outils de simulation. Cette conférence scientifique a également été l’occasion de remettre des récompenses, les prix O’Donnell, à 4 jeunes chercheurs texans prometteurs pour leurs avancées respectivement en médecine, ingénierie, science et technologies de l’innovation.


Lauréats des prix O’Donnell, TAMEST 2014 ; de droite à gauche : Dr. Zhifeng Ren pour la Science ; Dr. James D. Walker les Technologies de l’Innovation ; Dr. Richard K. Bruick pour la Médecine ; Dr. Thomas M. Truskett pour l’ingénierie
Crédits : TAMEST et l’Université du Texas à Austin


En plus de ses membres, la conférence annuelle de TAMEST a réuni les "protégés", chercheurs texans les plus prometteurs dans le cercle de TAMEST choisis par les membres, les sponsors et les membres affiliés à TAMEST que sont les chefs d’entreprises, les présidents d’universités et les leaders locaux.

Un développement informatique indispensable aux chercheurs

Les technologies informatiques avancées sont devenues des éléments indispensables aux chercheurs et elles sont en plein essor dans bien des domaines. La Science repose sur deux fondements : la théorie et l’observation ; et aujourd’hui l’informatique et la simulation sont considérées comme constituant un 3ème pilier et ce quels que soient les domaines scientifiques.


Position centrale de l’informatique au coeur de la médecine, de l’ingénierie et des sciences
Crédits : MS&T


Le Texas est l’état n°1 en puissance de calcul aux Etats-Unis et figure parmi les leaders mondiaux avec le Texas Advanced Computing Center (TACC) à l’Université du Texas à Austin qui conçoit, développe et déploie les plus puissants supercalculateurs [3]. Ces derniers permettent non seulement de modéliser et simuler les processus biologiques mais également d’analyser les données générées par un nombre croissant de capteurs et d’instruments digitaux pour comprendre notre environnement, notre société et nos corps. Après la mise en place du nouveau supercalculateur Stampede par le TACC en mars 2013 [4], ce mois de janvier devrait voir le déploiement de Maverick, un logiciel ouvert dédié à la recherche scientifique pour l’exploration interactive d’un grand nombre de données en complément de Stampede [5]. De plus, d’ici mars 2014, suite à une demande croissante des chercheurs, Rodeo, le "cloud" du centre devrait être accessible à la demande aux utilisateurs extérieurs ayant besoin d’un grand espace de stockage virtuel [6].

A l’origine, les supercalculateurs ont été créés principalement sous l’impulsion des physiciens afin de répondre à des questions qui nécessitaient une très forte puissance de calcul comme par exemple les calculs d’astrophysique, la modélisation moléculaire, les études de la fusion nucléaire ou les prévisions météorologiques. Toutefois, les supercalculateurs sont actuellement utilisés dans les domaines les plus divers tels que les simulations en finance et en assurance et notamment pour le traitement de données ou la réalisation de simulations en médecine. Cette variété d’utilisation des outils informatiques dans les domaines des sciences dures et de la médecine a bien été représentée à la conférence TAMEST.

Multiples utilisations en sciences et ingénierie…

Les chercheurs en sciences des matériaux et tout particulièrement des matériaux nanostructurés sont des consommateurs de plus en plus importants des supercalculateurs. Ceux-ci sont utilisés par exemple pour modéliser des structures cristallines ou simuler des réactions chimiques. Le Dr. Sharon C. Glotzer de l’Université du Michigan a bien illustré le sujet lors de sa présentation sur l’Age d’or des matériaux à la demande (matériaux qui présentent des propriétés spécifiques lorsqu’on le souhaite) en donnant de multiples exemples de nouveaux matériaux issus d’auto-assemblages lorsque les conditions thermodynamiques et cinétiques sont optimisées. Les nouvelles capacités informatiques sans précédents ont permis de métamorphoser sa recherche. Avec leur supercalculateur, le Tesla K40, il est maintenant possible de simuler assez facilement la formation de cristaux complexes en fonction des conditions expérimentales en agissant par exemple sur la forme des nanoparticules initiales. La structure 3D de l’auto-assemblage peut donc être connue sans même faire l’expérience. Grâce aux supercalculateurs, les calculs sont beaucoup plus rapides et ils génèrent de nombreuses données qu’il faut étudier, déplaçant ainsi le problème. L’objectif final est de pouvoir créer une base de données des cristaux obtenus en fonction de la forme des nanoparticules utilisées.

La compréhension des phénomènes naturels tels que la dynamique des océans ou la formation des ouragans a fortement progressé depuis l’utilisation de ces ordinateurs ultra-performants. En effet, ceux-ci permettent des simulations ou des modélisations toujours plus poussées à partir des données recueillies.

Dans le cas des modélisations, un expert intervenant à la conférence a expliqué que l’objectif est de déduire la cause à partir des effets observés ; c’est ce qui est appelé un problème inverse. La théorie inversée est une bonne méthode pour obtenir une structure rigoureuse et systématique appliquée par exemple à la modélisation de la fonte des icebergs en Antarctique. Il est maintenant possible de réaliser une modélisation et une simulation complète à partir des données recueillies permettant d’avoir des modèles encore plus prédictifs et ainsi de meilleurs outils de prises de décisions.

De son côté, l’équipe du Dr. Clint N. Dawson, à l’Université du Texas à Austin utilise une combinaison de 2 modèles, SWAN (Simulating Waves Nearshore) et ADCIRC (Advanced Circulation Model), pour obtenir un modèle très affiné de la formation des ouragans. Ces modèles prennent en considération les interactions avec les fonds océaniques, la terre et les constructions humaines. La fiabilité de la modélisation du tsunami engendré par l’ouragan Ike qui a frappé la Nouvelle Orléans le 13 août 2008 a été vérifiée en comparant les valeurs calculées avec les hauteurs réelles des vagues. Le modèle a montré des écarts de +/- 0,5 m par rapport à la réalité, ce qui démontre sa fiabilité. A partir de ce modèle et de données historiques, un ouragan dans la région de Houston-Galveston a été simulé pour éclairer la discussion en cours sur les différents systèmes de protection de la côte envisageables. La discussion prend en compte l’efficacité des barrages et digues proposés en fonction des différents scénarios d’ouragans simulés. Les simulations permettent de déterminer, en fonction du système de protection et de son emplacement, le niveau d’eau qui serait observé dans la région afin d’épargner le maximum d’habitants. Un autre exemple a été présenté avec la modélisation de la marée noire suite à l’explosion de la plateforme pétrolière Deepwater Horizon exploitée par BP dans le Golfe du Mexique. Les résultats obtenus par cette modélisation qui prend en compte la force et la direction du vent ont été comparés avec les images satellites de la marée noire par mesure du taux de recouvrement entre le modèle et la réalité.

… avec une utilisation croissante en biologie et médecine

Le domaine de la santé, notamment avec la biologie et la médecine, est probablement le domaine qui a le plus bénéficié des avancées dans les technologies informatiques. En effet, grâce aux simulations et aux modélisations, il est possible de soigner les patients de manière moins invasive. Le Dr. Natalya Trayanova, à l’Université John Hopkins, modélise couramment en 3 dimensions les fonctions électrophysiques et électromécaniques de certains organes humains à partir d’images IRM (Imagerie par Résonance Magnétique) et notamment les fonctions du coeur. Ainsi, en cas d’arythmie, il est possible de prédire l’emplacement exact de la maladie ainsi que les cibles d’ablations optimales au niveau du ventricule malade afin de limiter la taille des ablations et la perte de tissus sains. Il s’agit d’une approche non invasive et peu coûteuse. Cette modélisation est d’autant plus importante que dans le cas de la chirurgie cardiaque pédiatrique, le traitement des enfants par cathétérisation, technique utilisée habituellement pour traiter les arythmies, n’est pas envisageable. Dans cette situation, l’arythmie est stoppée par défibrillation et la simulation permet de déterminer l’énergie la plus faible nécessaire à l’opération.

D’autres exemples de modélisations informatiques ont été présentés comme la modélisation de virus bactériophages à l’intérieur et à l’extérieur des cellules par le Dr. Wah Chiu au Baylor College of Medicine. Son équipe a utilisé la microscopie cryo-électronique et plus particulièrement la tomographie cryo-électronique combinée à une approche informatique d’analyse des images afin de modéliser en 3 dimensions la structure du virus bactériophage chez la bactérie marine Synechococcus, responsable de la fixation du dioxyde de carbone atmosphèrique. Leur modélisation a montré des réarrangements conformationnels des protéines qui constituent la particule virale une fois qu’elle a encapsulé l’ADN afin de le protéger. Ils ont ainsi découvert les structures de 5 assemblages intermédiaires du virus avec l’ADN au sein de la bactérie infectée. Leur méthodologie est également applicable à d’autres constituants des cellules comme les mitochondries.

Deux autres présentations ont été données. L’une par le Dr. Bruce A. Beutler, lauréat conjointement avec le Dr. Jules A. Hoffmann du prix Nobel en Physiologie ou Médecine en 2011, sur le séquençage des gênes rendu plus rapide par les développements informatiques. Or dès que le phénotype est obtenu, il est possible de déterminer la cause des mutations génétiques. Son équipe est principalement intéressée par le système immunitaire et l’identification des gènes nécessaires pour résister aux infections. Le Dr. José N. Onuchic de l’Université de Rice a quant à lui présenté la modélisation des mouvements au sein des biomolécules permettant d’envisager la dynamique des moteurs moléculaires d’un point de vue structural.

Le monde industriel, dépendant des avancées informatiques

Le développement d’outils informatiques toujours plus performants est non seulement utile aux chercheurs académiques, mais il est également devenu indispensable aux entreprises comme en ont témoignés les présentations de Thomas J. Lange pour la société Procter & Gamble et le Dr. Thomas C. Halsey pour la compagnie pétrolière Exxon Mobil.

Comme l’a rappelé Thomas Lange, les sciences ne se retrouvent pas seulement dans les grandes innovations mais aussi dans les produits quotidiens du shampoing utilisé le matin à la lessive en passant par les couches pour bébés. En effet, chacun de ces produits a pu voir le jour grâce aux sciences, à l’ingénierie et à l’informatique de haute performance. Chaque produit quotidien présente des contradictions : le papier toilette doit être à la fois résistant et se décomposer facilement, le détachant doit éliminer les taches tout en prenant soin du linge… Le développement des propriétés de ces produits et l’optimisation des contenants sont aujourd’hui facilités par les modélisations informatiques telles que l’ingénierie assistée par ordinateur ("Computer Aided Engineering" : CAE). Celles-ci sont de plus en plus précises mais en contrepartie elles nécessitent toujours plus de puissance de calculs. Le CAE remplace les expériences longues, coûteuses et fastidieuses. Les outils informatiques sont des outils révolutionnaires qui permettent l’élimination de nombreux cas de figure défavorables pour ne se concentrer que sur les plus prometteurs qui seront in fine vérifiés par des expériences. Les simulations permettent entre autre d’étudier la résistance des bidons de lessive à la chute, l’instabilité des contenants sur la chaîne de production qui peuvent s’avérer catastrophiques en bloquant la production, le remplissage des dosettes pour le lave-vaisselle triple action ou encore la facilité d’ouverture des bidons et bouteilles avec une main virtuelle.

Procter & Gamble a très tôt compris l’importance des simulations et modélisations et c’est pourquoi la société s’est équipée dès les années 70 de supercalculateurs et a régulièrement fait l’acquisition de nouveaux supercalculateurs chacun plus puissant que le précédent.


Thomas J. Lange, Directeur R&D Modélisation et Simulation, Procter & Gamble
Crédits : TAMEST et l’Université du Texas à Austin


Les sciences informatiques ont également transformé l’industrie pétrolière et gazifière. Exxon Mobil comme beaucoup d’autres compagnies pétrolières a développé ses propres installations informatiques basées sur des supercalculateurs. La plupart de ces installations sont compétitives avec celles des laboratoires nationaux leaders. Aujourd’hui, les supercalculateurs influencent de manière très significative les décisions économiques. Les avancées dans les logiciels et la mise au point de nouveaux algorithmes permettent des modélisations toujours plus poussées comme en imagerie sismique avec la technique "Full Wavefield Inversion" qui compare un modèle ab initio aux données réelles, modifie le modèle et le compare à nouveau aux données réelles et ainsi de suite jusqu’à ce que le modèle mime les données au plus près. Cette même technique est employée pour modéliser les flux de pétrole ou de gaz dans les réservoirs souterrains. La combinaison des nouveaux algorithmes avec des outils de calculs toujours plus performants est la clé pour les innovations dans l’industrie du pétrole et du gaz.

De cette 11ème conférence annuelle de l’académie TAMEST sont ressortis deux points importants en plus de la révolution universelle qu’apportent les outils informatiques de pointe. Tout d’abord, aujourd’hui les ordinateurs représentent une base pour les ingénieurs et les scientifiques, ce qui implique que les compétences informatiques doivent faire partie de l’éducation des étudiants afin que ces derniers soient mieux préparés. Ensuite, pour continuer à accroitre les performances des supercalculateurs, il est nécessaire d’améliorer les programmes informatiques et d’adapter les architectures des ordinateurs. D’après le Dr. John R. Boisseau, directeur du TACC, nous sommes rentrés dans un nouvel âge d’or pour la conception des processeurs.

Mais ce que nous retiendrons surtout, c’est quel que soit le domaine concerné, tous les orateurs se sont accordés sur le fait que l’avènement des supercalculateurs et du "bigdata" a révolutionné la recherche.

Sources :


- Conférence annuelle de TAMEST, 16-17 janvier 2014, Austin - Texas
- [2] BE Etats-Unis 232 : "L’Académie de Médecine, Ingénierie et Science du Texas - TAMEST" : http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/65631.htm
- [3] Site internet du "TACC" : https://www.tacc.utexas.edu/tacc-projects
- [4] BE Etats-Unis 330 : "Du renfort au Texas pour les supercalculateurs" : http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/72951.htm
- [5] Press release "TACC to Deploy Maverick for Interactive, Remote Visualization and Data Analysis" : https://www.tacc.utexas.edu/news/press-releases/2013/tacc-to-deploy-maverick
- [6] Press release "Need A Cloud Resource for Science ? TACC Serves Up Rodeo" : https://www.tacc.utexas.edu/news/press-releases/2013/need-a-cloud-resource-for-science-tacc-serves-up-rodeo

Pour en savoir plus, contacts :

[1] Site internet de "TAMEST" : http://www.tamest.org/
Code brève
ADIT : 74915

Rédacteurs :


- Maud Bernollin, Attachée Scientifique Adjointe, deputy-phys@ambascience-usa.org ;
- Retrouvez toutes nos activités sur http://france-science.org ;
- Suivre le secteur Physique, Chimie, Nanotechnologies sur twitter @Fr_US_Nanotechs.

Voir en ligne : http://www.bulletins-electroniques….