Programme de Doctorat en informatique

Département d’informatique et de génie logiciel

Faculté des sciences et de génie

 

Présentation orale de la proposition de projet de recherche doctoral

Pierre-Louis Gagnon

 

 

Mardi le 9 février 2021 à 9 h

Par vidéoconférence (voir lien ci-dessous)

 

https://us02web.zoom.us/j/82149680617?pwd=WElaK2NPWERUQWZpTWtQRlNoNnp6UT09

 

ID de réunion : 821 4968 0617

Code secret : 940469

Méthodes d’inférence des paramètres biophysiques d’un modèle d’homéostasie ionique et volumique chez les astrocytes

Comité d’encadrement

 

François Laviolette (Directeur, Département d’informatique et de génie logiciel)

Pierre Marquet (Codirecteur, Département de psychiatrie et de neurosciences)

Nicolas Doyon (Codirecteur, Département de mathématiques et de statistique)

 

Simon Hardy (Examinateur, Département d’informatique et de génie logiciel)

Yann Pequignot (Examinateur, Département d’informatique et de génie logiciel)

Antoine Godin (Examinateur, Département de psychiatrie et de neurosciences)

 

Résumé

 

Depuis quelques années, des avancées techniques en photonique sont appliquées en neurobiologie, permettant d’étudier la dynamique de certaines cellules du systèmes nerveux central, telles que les neurones et les astrocytes. La microscopie holographique digitale permet par exemple de mesurer les variations de volume des cellules suite à différentes stimulations in vitro.

 

En collaboration avec nos collègues en neurophotonique, qui sont des spécialistes de cette technique, nous cherchons à élucider les mécanismes d’homéostasie volumique chez les astrocytes suite par exemple à une augmentation d’ions (K+) et de neurotransmetteurs (glutamate) dans le milieu extracellulaire. Ces mécanismes, qu’on croit reliés au transport d’eau effectué par certains cotransporteurs, sont étroitement reliés aux concentrations des principaux ions présents (Na+, K+, Cl-) en dedans et en dehors de la cellule.

 

Afin d’interpréter les données de microscopie et de mieux comprendre la dynamique des ions impliqués, un modèle mathématique d’Équations Différentielles Ordinaires a été développé. La simulation de ce modèle nécessite la connaissance à priori de plusieurs constantes numériques incertaines, appelées paramètres biophysiques.  Une bonne inférence de ces paramètres permettrait de tester le modèle dans de nouvelles conditions expérimentales.

 

Dans cette proposition de recherche, nous proposons différentes solutions d’inférence de paramètres d’ÉDOs adaptés à ce problème des paramètres biophysiques du modèle d’homéostasie ionique et volumique de nos collègues. Nous verrons que bien qu’une bonne calibration des données de microscopie avec le modèle soit déjà possible, de nombreux défis demeurent quant à la détermination des paramètres biophysiques de chaque astrocyte.  Le paradigme bayésien sera notamment introduit afin de complémenter l’approche par optimisation et contraintes testée jusqu’à maintenant. Finalement, au niveau biologique, nous verrons comment certaines questions reliées au transport d’eau pourraient être résolues à l’aide de nos recherches.

 

 

Title: Methods of inferring the biophysical parameters of a model of ionic and volume homeostasis in astrocytes

 

Abstract

In recent years, technical advances in photonics have been applied in neurobiology, making it possible to study the dynamics of certain cells of the central nervous system, such as neurons and astrocytes. Digital holographic microscopy makes it possible, for example, to measure the variations in cell volume following different stimulations in vitro.

 

In collaboration with our colleagues in neurophotonics, who are specialists in this technique, we seek to elucidate the mechanisms of volume homeostasis in astrocytes following, for example, an increase in ions (K +) and neurotransmitters (glutamate) in the medium. extracellular. These mechanisms, believed to be linked to water transport by certain cotransporters, are closely related to the concentrations of the main ions present (Na +, K +, Cl-) in and out of the cell.

 

In order to interpret the microscopy data and to better understand the dynamics of the ions involved, a mathematical model of Ordinary Differential Equations has been developed. The simulation of this model requires a priori knowledge of several uncertain numerical constants, called biophysical parameters. A good inference of these parameters would make it possible to test the model under new experimental conditions.

 

In this research proposal, we propose different solutions to the problem of inference of ODE parameters adapted to the biophysical parameters of the ionic and volume homeostasis model of our colleagues. We will see that although a good calibration of the microscopy data with the model is already possible, many challenges remain regarding the determination of the biophysical parameters of each astrocyte. The Bayesian paradigm will be introduced in particular in order to complement the optimization and constraint approach tested so far. Finally, at the biological level, we will see how some questions related to water transport could be resolved with the help of our research.

 

Note: La présentation sera donnée en français.

 

 

 

Bienvenue à tous!