Méthode d’apprentissage en profondeur pour le suivi des gestes et la segmentation de l’activité neuronale chez la souris

Afin de trouver une relation causale entre l’activité neuronale et les activités physiques, les neuroscientifiques enregistrent généralement le comportement des animaux et leur activité cérébrale dans un environnement contrôlé. Ensuite, ils annotent manuellement les données sur l’activité comportementale / physique et l’activité neuronale. Il s’agit d’un processus inefficace, chronophage, subjectif et propice à l’erreur humaine, car il dépend de la personne qui enregistre les observations et n’est donc pas reproductible.

Ces dernières années, il y a eu une tendance croissante au traitement automatisé de ces données pour améliorer l’efficacité et la reproductibilité. C’est précisément l’approche que le chercheur Waseem Abbas a proposée dans sa thèse dans le cadre du programme doctoral de l’UOC en technologies des réseaux et de l’information. Une partie de la recherche a déjà été publiée dans trois revues scientifiques: Journal des méthodes de neuroscience, Capteurs et Accès IEEE.

La thèse propose des solutions basées sur l’apprentissage profond pour traiter les données d’activité neuronale et les données comportementales observées chez les souris à tête fixe. L’objectif est de permettre aux neuroscientifiques d’annoter les données comportementales et d’extraire des schémas neuronaux de manière automatisée et d’établir un lien de causalité entre les deux.

Nous avons proposé un cheminement basé sur l’apprentissage en profondeur pour le suivi des gestes qui code explicitement les informations temporelles qui apparaissent dans les vidéos. « 

Waseem Abbas, chercheur

Le chercheur a également analysé les images neuronales des rongeurs à l’aide d’indicateurs de calcium fluorescents génétiquement codés (GECI). « Lorsqu’un neurone est actif, la concentration de GECI change à l’intérieur de la cellule et ce changement peut être observé au microscope fluorescent », a-t-il poursuivi.

Le scientifique a formé des algorithmes d’apprentissage profond qu’il avait développés pour enregistrer automatiquement les mouvements des membres des souris apparaissant dans les vidéos et également pour détecter tous les neurones actifs dans les images d’activité neuronale. Plus précisément, il les a conçus pour prendre en compte à tout moment le contexte spatio-temporel.

Recherche interdisciplinaire

La thèse est un exemple de collaboration interdisciplinaire, a déclaré David Masip, directeur de la thèse. «Nous collaborons avec des chercheurs dans le domaine des neurosciences pour aider à relier les connexions neuronales, qui sont visibles in vivo utilisant l’imagerie à base de calcium, avec des mouvements articulaires », explique Masip, directeur de l’École doctorale de l’UOC, professeur à la Faculté d’Informatique, Multimédia et Télécommunications et chercheur principal du groupe SUNAI (Scene Understanding and Artificial Intelligence).

Selon le scientifique, la méthodologie qui a été développée permet d’enregistrer de gros volumes de données. Des vidéos de souris en mouvement, d’une part, et de cubes de données cérébrales, d’autre part, impliquant un exercice d’automatisation majeur qui a été mené avec succès avec les nouveaux algorithmes.

La prochaine étape consiste à former les deux groupes simultanément. « S’il existe un ensemble de données synchrone disponible, par exemple, si nous avons vu les images de locomotion et les données de calcium enregistrées simultanément pour le même animal, nous pouvons alors former ces deux approches ensemble pour voir s’il existe une relation causale », a déclaré Abbas.

D’une petite ville du Pakistan à Barcelone

Abbas s’intéresse à la science et à la technologie depuis son plus jeune âge. Né dans la petite ville de Sepoy, district d’Orakzai, province de Khyber Pakhtunkhwa au Pakistan, près de la frontière avec l’Afghanistan, son passe-temps favori était de construire des avions en papier et des jouets mécaniques avec de l’argile ou tout autre matériau qu’il pouvait trouver.

Après avoir remporté une bourse pour étudier en Corée du Sud, Abbas a reçu une autre bourse pour étudier à l’école doctorale de l’UOC, une expérience qu’il définit comme «transformatrice».

« La culture et l’atmosphère de Barcelone ont eu un impact énorme sur moi. Non seulement j’ai progressé dans mes compétences professionnelles, mais j’ai également noué des liens durables avec des personnes incroyables », a-t-il déclaré.