Ressource #2 du dossier Pop’Sciences – CNRS : « ANNÉE DE L’INGENIERIE – Quand l’ingénierie façonne la recherche scientifique » ARTICLE 

Adaptée à la visualisation de la plupart de nos organes, l’échographie est notamment employée pour détecter des anomalies, comme des tumeurs, des kystes ou des malformations. Les capacités d’analyse de cette technique d’imagerie reposant sur la diffusion d’ultrasons restent toutefois largement sous-exploitées. S’efforçant d’améliorer les performances de l’échographie, les travaux de scientifiques lyonnais laissent entrevoir de nouveaux usages prometteurs dans le domaine biomédical.

Réponse impulsionnelle spatiale, appelée « oscillations transverses », permettant le marquage local des tissus, pour le mode d’imagerie échographique US-Tagging (marquage ultrasonore). C’est un nouveau mode d’imagerie échocardiographique permettant le suivi des structures anatomiques, afin de faciliter la détection précoce et le suivi des pathologies cardiaques, comme par exemple l’infarctus du myocarde. L’originalité de cette technique repose sur le marquage local des tissus grâce à une formation d’images échographiques spécifique. © Hervé LIEBGOTT/CNRS Images

Au fil des années et des améliorations dont elles ont bénéficiées, certaines techniques d’imagerie médicale sont devenues des outils de diagnostic incontournables pour un large éventail de pathologies. Dans ce domaine, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et le scanner figurent parmi les appareils les plus performants. Le coût élevé de ces équipements limitant toutefois leur déploiement à grande échelle, leur usage se limite bien souvent au diagnostic préliminaire des cancers, des maladies vasculaires et des pathologies cérébrales. Afin de pallier ce manque de disponibilité, des scientifiques cherchent donc à améliorer l’efficacité d’autres techniques d’imagerie plus faciles d’accès comme l’échographie¹. Depuis quelques années, c’est la piste qu’explore Pauline Muleki-Seya au Centre de recherche en acquisition et traitement de l’image pour la santé (Creatis)². Ses travaux les plus récents se focalisent sur l’évaluation des plaques d’athéromes qui se déposent sur la paroi interne des artères carotides. Constituées principalement de lipides, ces plaques qui tendent à s’épaissir au cours du temps peuvent être à l’origine de graves complications telles que l’accident vasculaire cérébral (AVC).

Mise en place de l’échographe de recherche à l’hôpital de la Croix Rousse pour réaliser des acquisitions ultrasonores sur les patients. © Pauline Muleki Seya

Répondre à un enjeu de santé publique

Parmi les 140 000 nouveaux cas d’AVC répertoriés chaque année en France, 28 000 résulteraient de la rupture de plaques carotidiennes. Le suivi de l’évolution des plaques d’athérome chez les personnes les plus à risque constitue ainsi un enjeu de santé publique majeur. « Nos investigations dans ce domaine visent à utiliser des acquisitions ultrasonores obtenues à l’aide de sondes échographiques pour quantifier deux composantes des plaques associées à un risque de rupture, à savoir la présence de microvaisseaux et les hémorragies se produisant à l’intérieur de la plaque », explique Pauline Muleki-Seya. Afin de caractériser ces deux indicateurs, la physicienne CNRS spécialiste des ultrasons et son équipe ont eu recours à une sonde matricielle. Tout comme l’IRM, et à la différence d’une sonde linéaire classiquement utilisée lors d’un examen échographique, la sonde matricielle permet d’acquérir des images en trois dimensions de la zone ciblée. Grâce à la mesure en volume du coefficient de rétrodiffusion³ renseignant sur la manière dont le tissu diffuse les ultrasons, les scientifiques entendent caractériser la microstructure tissulaire des plaques d’athérome. Obtenir une mesure précise et en trois dimensions du coefficient de rétrodiffusion est primordial car cette donnée renseigne sur l’existence de facteurs de fragilisation de la plaque comme la présence d’hémorragie à l’intérieur de la plaque ou le développement de nouveaux vaisseaux sanguins. « À l’appui de fantômes⁴ imitant les propriétés des tissus humains, dont on se sert pour évaluer les performances des techniques d’imagerie médicale, nous avons pu démontrer que l’emploi d’une sonde matricielle permettait d’améliorer de manière significative le niveau de résolution des mesures du coefficient de rétrodiffusion volumique », précise la scientifique.

Améliorer la prise en charge de l’athérosclérose

Pour obtenir des informations sur la microstructure vasculaire, l’équipe a eu recours à une autre méthode : l’imagerie par localisation ultrasonore. Inspirée de l’imagerie optique, cette autre technique nécessite l’injection préalable dans la circulation sanguine de microbulles d’air faisant office d’agent de contraste ultrasonores. « L’accumulation des trajectoires des microbulles détectées par la sonde matricielle permet d’établir une cartographie très fine de la microvascularisation tout en déterminant la vitesse de flux sanguin dans les différents vaisseaux », souligne Pauline Muleki-Seya. Dans le prolongement de ces travaux, la scientifique vient d’initier une première étude clinique chez l’Homme. Son objectif : tester la capacité de chacune des deux méthodes d’analyse éprouvées en laboratoire – mesure volumique du coefficient de rétrodiffusion et imagerie par localisation ultrasonore – à caractériser le niveau de sténose⁵ et la composition des plaques – présence d’hémorragie et de néovaisseaux⁶ entre autres – chez une quinzaine de personnes souffrant d’athérosclérose. Les conclusions de cette première étude clinique devraient contribuer à une meilleure prise en charge de cette maladie. « Pour les patients dont l’imagerie ultrasonore et la mesure du coefficient de rétrodiffusion révéleraient un degré de sténose limité associé à une grande instabilité dans la structure interne des plaques, un traitement chirurgical de l’artère par angioplastie⁷ devrait immédiatement être proposée, extrapole la scientifique. À l’inverse, si la structure des plaques reste stable malgré une sténose élevée, l’intervention pourrait être écartée au profit d’un suivi médical rigoureux du patient. »

Imagerie ultrasonore : une nouvelle lecture de la microstructure des tissus © Emilie Josse

L’imagerie ultrasonore comme alternative à la biopsie

L’utilisation d’ultrasons dans le domaine biomédical pourrait également se révéler pertinente pour le suivi de l’efficacité du traitement par chimiothérapie de certains cancers. À l’heure actuelle, le seul examen permettant de mener cette évaluation sur les tumeurs reste la biopsie. Au-delà de son aspect invasif, ce prélèvement d’un échantillon tumoral ne peut être réalisé qu’une fois le protocole thérapeutique achevé, ce qui implique souvent un délai de plusieurs semaines. Bien qu’une autre forme de thérapie soit immédiatement proposée au patient en cas d’échec du traitement par chimiothérapie, ses chances de rémission s’en trouvent inévitablement réduite. Dans la perspective d’obtenir une évaluation précoce et non-invasive de l’efficacité de la chimiothérapie, Pauline Muleki-Seya étudie la possibilité d’employer l’imagerie ultrasonore. Ces travaux réalisés en collaboration avec Aurélie Dutour, biologiste au Centre anticancéreux Léon Bérard et rattachée au Centre de recherche en cancérologie de Lyon (CRCL)⁸, portent sur l’ostéosarcome, une tumeur maligne osseuse qui touche principalement les adolescents et les jeunes adultes. « Nos recherches en la matière visent à évaluer la possibilité d’identifier les biomarqueurs de la structure tissulaire des tumeurs à partir de la propagation des ondes ultrasonores », complète la physicienne. Testée sur des ostéosarcomes issus de rongeurs exprimant cette pathologie, cette approche a permis d’observer des modifications de la structure microtissulaire de ces tumeurs en dépit de leur faible niveau de réponse à la chimiothérapie. Les variations du coefficient de rétrodiffusion du tissu tumoral révélées par spectroscopie ultrasonore attestent par ailleurs de l’intérêt de cette technique d’analyse non-invasive pour le suivi d’autres tumeurs solides traitées par chimiothérapie. Face à ces premiers résultats encourageants, l’équipe envisage désormais de recourir à la spectroscopie ultrasonore pour évaluer l’efficacité d’autres formes de traitements de l’ostéosarcome comme la thérapie anti-angiogénique qui cible les vaisseaux sanguins des tumeurs cancéreuses.

En s’efforçant d’améliorer les performances d’une technique d’imagerie relativement répandue et simple d’utilisation, ces travaux devraient contribuer à relever l’un des grands défis de l’ingénierie de la santé qui est celui du renforcement de la prise en charge des maladies.

Article rédigé par Grégory Fléchet, journaliste scientifique – Janvier 2026

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¹ L’échographie repose sur l’utilisation des propriétés des ultrasons émis par la sonde de l’échographe. Ceux-ci se réfléchissent sur l’organe cible et produisent un écho, dont le retour permet d’obtenir des images de la zone examinée.

² Unité CNRS/Inserm/Insa Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1

³ Phénomène par lequel des particules, des rayonnements ou des ondes sont déviés à un angle supérieur à 90° par rapport à leur direction initiale suite à leur interaction avec la matière.

⁴ Constitués de gel d’agarose, les fantômes sont de petits cubes ou cylindres de texture gélatineuse utilisés en physiologie pour simuler les tissus mous.

⁵  Rétrécissement anormal du calibre d’une artère ou d’une veine compromettant la circulation sanguine. 

⁶  Dérivation vasculaire qui se forme spontanément en cas d’occlusion d’une artère.

⁷ Technique médico-chirurgicale visant à élargir une artère, rétrécie ou obstruée par un dépôt de plaque.

⁸ Unité CNRS/Inserm/Centre Léon Bérard/Université Claude Bernard Lyon 1

Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet ANR-CARPUS-AAPG2020. Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l’appel à projet Sciences Avec et Pour la Société – Culture Scientifique Technique et Industrielle pour les projets JCJC et PRC des appels à projets génériques 2020 (SAPS-CSTI-JCJ et PRC AAPG 20).

Ressource #5 du dossier Pop’Sciences – CNRS : « ANNÉE DE L’INGENIERIE – Quand l’ingénierie façonne la recherche scientifique » ARTICLE 

Comprendre comment les constituants les plus élémentaires de la matière sont liés entre eux à pour tenter de percer leurs secrets. Tel est l’objectif que s’est fixé Matthieu Bugnet à partir d’outils dédiés à l’étude des matériaux. En combinant la microscopie électronique en transmission avec une méthode de spectroscopie avant-gardiste, le scientifique cherche à révéler la structure de matériaux à l’interface des atomes qui les constituent.

Visualisation stylisée d’une simulation atomique d’un alliage à haute entropie, c’est-à-dire composé de plusieurs éléments en proportions égales, ici du fer, du chrome, du nickel et du manganèse. © Alex BOURGEOIS, Céline VARVENNE, Pierre-Antoine GESLIN | CNRS Images

Conductivité électrique ou thermique, élasticité ou rigidité, résistance à la rupture ou à la corrosion, transparence ou opacité sont autant de propriétés dont peuvent disposer les matériaux que nous employons au quotidien. Bien que toutes ces caractéristiques s’appliquent à des structures ou des objets de dimension macroscopique, elles trouvent leur origine dans l’agencement de la matière à l’échelle de ses atomes voire même en-deçà. Parvenir à mettre en évidence cette organisation constitue toutefois un véritable défi technique que Matthieu Bugnet, chargé de recherche CNRS et spécialiste de microscopie électronique en transmission, s’efforce de relever à travers les investigations qu’il mène au sein du laboratoire Matériaux ingénierie et science (MatéIS)¹. « Nos recherches visent en quelque sorte à sonder ces constituants élémentaires de la matière que sont les atomes dans le but de comprendre leur organisation ainsi que celle des électrons présents autour du noyau des atomes et qui assurent la cohésion de ces derniers », explique-t-il. Pour déterminer de quelle manière les atomes interagissent les uns avec les autres, le scientifique étudie les liaisons chimiques entre atomes de divers matériaux cristallins² à l’aide d’un microscope électronique en transmission (MET).

Microscope électronique en transmission environnemental (ETEM), cet instrument permet d’analyser la structure et la composition de matériaux à l’échelle atomique, et leur évolution in situ sous différentes contraintes inhérentes à leur fonction : gaz, température, sollicitation mécanique… © Cyril FRESILLON / MATEIS / IRCELYON / CLYM / METSA / CNRS Images

Viser des niveaux de résolution extrêmes

En dépit d’un pouvoir de résolution supérieur à 0,1 nanomètre³, le MET qu’emploie Matthieu Bugnet n’est pas en mesure d’« imager » directement les liaisons entre les atomes. Pour cela, le scientifique associe depuis peu à cet outil d’observation un détecteur très performant optimisé pour la spectroscopie de pertes d’énergie des électrons (EELS pour Electron Energy-Loss Spectroscopy). Cette technique repose sur l’analyse des spectres générés par les pertes d’énergie que subissent les électrons lorsque ceux-ci traversent un matériau ou sont réfléchis à sa surface. « Appliquée à un échantillon de matière d’une ou deux dizaines de nanomètres d’épaisseur placé dans le microscope électronique, l’EELS offre la possibilité d’accéder à des niveaux de résolution énergétique et spatiale extrêmes qui peuvent nous permettre de comprendre ce qui se joue entre les atomes qui constituent cet échantillon », souligne le microscopiste. Pour éprouver les performances de ce dispositif d’analyse innovant, et s’assurer en premier lieu de sa capacité à révéler les caractéristiques des orbitales atomiques, c’est-à-dire la manière dont les électrons sont distribués autour de chaque atome, l’équipe de Matthieu Bugnet a eu recours à différents matériaux modèles. Ceux-ci présentent la particularité d’être très homogènes dans leur structure et leur composition chimique. Leurs propriétés et leurs caractéristiques spectrales en spectroscopie EELS sont en outre bien connues des spécialistes de la chimie des matériaux.

Faire le lien entre défauts et propriétés

Après avoir effectué des premiers tests pour le moins concluants sur un matériau cristallin connu, le dioxyde de titane (TiO₂), les scientifiques se sont ensuite focalisés sur des feuillets bidimensionnels de graphène. Ce cristal synthétique est constitué d’atomes de carbone disposés dans un même plan selon un motif hexagonal. En combinant les données expérimentales recueillies dans le MET à l’aide de l’EELS avec des outils de simulation adaptés à la modélisation de signaux de très faible intensité affectés par la nature même de l’expérience, ils sont ainsi parvenus à cartographier la signature d’orbitales atomiques du graphène.

À l’avenir, l’équipe envisage d’employer cette même méthode pour sonder les liaisons chimiques au niveau de défauts localisés dans les matériaux cristallins. Objectif de ces investigations : établir un lien entre les liaisons chimiques d’un matériau au voisinage de ses défauts et ses propriétés les plus intéressantes pour faciliter l’ingénierie des défauts. En parallèle de ces futurs travaux, des études seront effectuées aux interfaces du graphène et du carbure de silicium (SiC). « Un matériau hybride tel que celui-ci présente des configurations idéales pour nous permettre de maximiser nos chances de révéler le lien entre structuration des orbitales atomiques et des propriétés s’exprimant à l’échelle macroscopique », explique le microscopiste.

La manipulation des atomes en ligne de mire

Qu’elles soient de nature physique, mécanique ou électronique, les propriétés des matériaux sont très souvent conditionnées par les défauts s’exprimant à des échelles très fines. Le fait de remplacer certains atomes constitutifs d’un matériau par d’autres éléments chimiques, ou d’arranger localement ces atomes de manière différente, pourrait alors suffire à lui octroyer de nouvelles caractéristiques. Si les travaux de Matthieu Bugnet n’ont pas encore permis, pour l’heure, de mieux définir l’intérêt de manipuler la matière à une échelle aussi fine. Ils attestent en revanche de la capacité de la microscopie électronique à visualiser l’effet des liaisons chimiques au niveau des défauts et des interfaces d’une grande variété de matériaux solides, dès lors que cette technique d’observation est associée à l’EELS. « Bien que nos premiers résultats restent très fondamentaux, ils laissent entrevoir la possibilité et surtout l’intérêt de façonner la matière à l’échelle de ses atomes, et ce de manière contrôlée, dans le but de faire advenir de nouvelles propriétés macroscopiques. »

D’ici une dizaine d’années, des domaines d’activité tels que la microélectronique, la catalyse, le stockage de données informatiques ou celui d’énergie pourraient bénéficier de cette conception à la carte des matériaux. En cherchant à améliorer l’analyse de la structure de la matière à l’échelle de leurs atomes, ces travaux devraient contribuer à relever l’un des grands défis de l’ingénierie consistant à développer de nouveaux matériaux dotés de propriétés inédites.

Article rédigé par Grégory Fléchet, journaliste scientifique – Janvier 2026

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¹ Unité CNRS/INSA Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1

² Solides dont les atomes, ions ou molécules sont disposés dans une structure ordonnée et répétitive, formant un motif tridimensionnel, bidimensionnel ou monodimensionnel régulier.

³ Un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre (10^-9 m), ce qui correspond peu ou prou au diamètre d’un atome d’hélium (He).

Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet ANR-ORBITEM-AAPG2022. Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l’appel à projet Sciences Avec et Pour la Société – Culture Scientifique Technique et Industrielle pour les projets JCJC et PRC des appels à projets génériques 2022 (SAPS-CSTI-JCJ et PRC AAPG 22).

Karine Monier, ingénieure de recherche CNRS au laboratoire Pathophysiologie et génétique du neurone et du muscle, a reçu en 2024 la médaille de cristal du CNRS. Seule dans sa bulle ou en équipe, Karine Monier aime réfléchir à la création de nouvelles expériences qui aideront à la compréhension de mécanismes scientifiques complexes.

Ses travaux, à l’interface entre biologie, physique et chimie, ont notamment mené à l’élaboration d’un tampon de clignotement spécifique à la technologie d’imagerie de super-résolution dSTORM qui représente une avancée majeure dans la localisation de molécules uniques. Ce tampon consiste en un agent chimique réducteur contenu dans un environnement dépourvu d’oxygène.

>> Découvrez les médailles du CNRS 2024 sur le site : 

CNRS

Les fleurs ont toujours fasciné par leurs couleurs, leurs formes et leur grande diversité. Les pétales sont les organes floraux les plus attractifs, aussi bien pour nous que pour les insectes pollinisateurs. Mais qu’est-ce qu’un pétale exactement ? Comment ses cellules arrivent-elles à produire la couleur et l’iridescence des fleurs ?

Cette conférence immersive des Échappées inattendues du CNRS a été enregistrée le 1er juin 2024 dans le cadre des Rendez-vous aux Jardins en partenariat avec le planétarium de Vaulx-en-Velin et RSA Cosmos. L’univers visuel a été réalisé par l’artiste Alex Andrix. Embarquez pour les Échappées inattendues, des événements et des rencontres ouverts à toutes et tous à côté de chez vous pour débattre, expérimenter, explorer, échanger.

• Marie Monniaux (CNRS), chercheuse en biologie cellulaire au Laboratoire Évolution, écologie et paléontologie (EVO-ECO-PALEO – CNRS / Université de Lille).

Manifestation internationale, la Semaine du Cerveau revient chaque année au mois de mars. Au programme : conférences, ateliers, spectacle, portes ouvertes et rencontres, pour tout savoir de cet organe incroyable et rencontrer les scientifiques qui explorent au quotidien les mystères de notre cerveau. Depuis plusieurs décennies, les recherches sur le cerveau connaissent un essor considérable, avec des découvertes spectaculaires à toutes les échelles, de la compréhension de ses mécanismes de développement aux dernières méthodes d’imagerie permettant de visualiser l’ensemble du fonctionnement cérébral.

SSemaine du cerveau 2024 – « mon cerveau, une affaire sensible »

Pour sa 26^e édition, la Semaine du Cerveau 2024 dans la Métropole de Lyon avait pour thème : « Mon cerveau : une affaire sensible ». Nos cinq sens ne se limitent pas à identifier les stimuli, mais leurs attribuent également une valeur émotionnelle. De plus, l’interprétation que fait le cerveau des informations qu’il capte dépend également de son niveau de conscience et de l’évaluation du stimulus pour le bien-être futur de l’individu. Par exemple, que se passe-t-il dans notre cerveau lorsque nous tombons amoureux lors d’une rencontre imprévue, ou bien lorsque que nous succombons à certaines addictions comme à la vue de notre téléphone portable ou d’un paquet de cigarettes ? Les mécanismes mis en jeu sont-ils les mêmes dans tous ces cas de figure ?

La mise en lumière par la recherche des mécanismes qui sous-tendent ces fonctions exige notamment une excellente connaissance de l’architecture neuronale, tant au niveau cellulaire qu’au niveau de la connectivité de l’ensemble du cerveau. C’est sur la base de ces connaissances issues de la recherche fondamentale que reposent en grande partie les approches thérapeutiques autour de pathologies comme la dépression, l’autisme ou la schizophrénie.

Les animations de la Semaine du Cerveau ont permis d’évoquer plusieurs de ces thèmes qui font l’objet de recherches particulièrement développées dans la Métropole de Lyon.

Rémi Gervais, Professeur émérite, Université Claude Bernard Lyon 1, Conseiller scientifique de la Semaine du Cerveau
Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon (Lyon 1 / CNRS / Inserm)

Chiffres-clé de cette édition : 26 événements, près de 80 scientifiques mobilisés, 1800 participants, un collectif de 11structures organisatrices.

Trois rencontres sont à revoir en ligne : 

• Quand le cerveau tombe amoureux, au grand auditorium du musée des Confluences, le 14 mars 2024

• L’odorat : un sens émotionnel caché et omniprésent, à la bibliothèque municipale de Lyon Part-Dieu, le 12 mars 2024

• Manger, bouger, dormir – Journée du sommeil, au Centre de recherche en neurosciences de Lyon, le 15 mars 2024

SSemaine du cerveau 2023 – « Mon cerveau explore le monde »

La Semaine du Cerveau 2023 de la Métropole de Lyon s’est déroulée du 8 au 27 mars et s’est placée sous le thème : « Mon cerveau explore le monde ». Ce formidable organe nous permet de traiter les informations qui nous parviennent à la fois du monde extérieur et de notre monde intérieur.

Pour le monde qui nous entoure, nos sens tels la vision, l’audition, l’olfaction nous informent sur notre environnement et nous permettent d’adapter nos comportements. Cette analyse sensorielle ne repose pas uniquement sur les caractéristiques physiques des stimuli, mais également sur l’interprétation que nous en faisons en fonction de nos mémoires personnelles. Les données du monde extérieur se confrontent immanquablement à celles de notre monde intérieur. Par exemple, un sujet d’étude particulièrement développé depuis quelques années est celui de l’interprétation du regard des autres.  Il contient non seulement de l’information sur l’identité de l’émetteur mais également sur ses intentions et sur son état intérieur (joie, colère, peur…).  Une interprétation erronée du regard de l’autre pourrait être associée à certains troubles psychiatriques comme l’autisme ou la schizophrénie.

Même en absence de stimuli de notre environnement, ou d’attention soutenue, notre cerveau traite en permanence de l’information issue de notre monde intérieur. Les travaux des dernières décennies amènent les chercheurs à se demander si notre cerveau se repose vraiment. Que se passe-t-il à l’état de repos, quand nos sens semblent négliger le monde extérieur ? Que se passe-t-il lors de la concentration mentale, par exemple lorsque l’athlète, dans une immobilité parfaite, simule mentalement l’action qu’il va accomplir plus tard ? Même lors du sommeil profond notre cerveau se repose-t-il vraiment ou continue-t-il à explorer notre monde intérieur ?

Les animations de la Semaine du Cerveau 2023 ont abordé plusieurs de ces thèmes qui font l’objet de recherches particulièrement développées dans la Métropole de Lyon.

Rémi Gervais, Professeur émérite, Université Claude Bernard Lyon 1, Conseiller scientifique de la Semaine du Cerveau – Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon (Lyon 1 / CNRS / Inserm).

Chiffres clés de cette 25^e édition : 18 événements en présentiels, plus de 40 scientifiques mobilisés, plus de 1200 participants, un collectif de 11structures organisatrices.

Deux rendez-vous ont été enregistrés >> Voir ou revoir les conférences :

• Quand le cerveau se repose, au grand auditorium du Musée des Confluences – 15-03-2023
• Raisonnement et biais cognitifs : quand notre cerveau nous joue des tours, à la Bibliothèque municipale Lyon Part-Dieu – 14-03-2023

ssemaine du cerveau 2022 – « Vos sens en question »

Vision, audition, olfaction, toucher, douleur… Notre cerveau est alimenté chaque jour par les informations transmises par les différents canaux sensoriels. C’est à partir de ces données, et de celles stockées dans notre mémoire, que nous construisons notre représentation du monde.

Mais quels sont les mécanismes qui sous-tendent au final la construction du « soi » ? C’est une question à laquelle les neurobiologistes tentent de répondre depuis plusieurs décennies. Sur le plan expérimental, la perception s’étudie à plusieurs niveaux que l’on peut appeler « bas niveau et haut niveau ».
Depuis le début du XXI^e siècle, les recherches sont davantage consacrées à la perception dite de bas niveau : comment nos capteurs (rétine, oreille interne, muqueuse olfactive…) peuvent-ils interpréter les signaux du monde extérieur et transmettre les informations à notre cerveau ?

Plus récemment, les neuroanatomistes se sont intéressés au traitement dit de haut niveau, en tentant de comprendre la manière dont notre cerveau est capable de traiter des processus complexes, comme la compréhension de la parole, la reconnaissance d’un visage familier, ou encore la catégorisation, l’attention sélective et le caractère émotionnel attribué à un stimulus. Autant de mécanismes indispensables, notamment pour l’apprentissage tout au long de la vie et pour nos interactions avec les autres.
La recherche dans ce domaine s’étend maintenant à l’intelligence artificielle et à la robotique, pour la mise au point de machines autonomes et d’humanoïdes performants.

À l’étude de la perception du monde réel, s’ajoute celle des illusions d’optique et des hallucinations. D’où viennent ces déformations de nos perceptions ou de la production endogène d’images ou de parole, telles que celles observées chez le schizophrène ?

Rémi Gervais, Professeur Émérite en neurosciences, Université Claude Bernard Lyon 1, conseiller scientifique de la Semaine du Cerveau – Centre de Recherches en Neurosciences de Lyon (Lyon 1 / CNRS / Inserm / Université Jean Monnet).

<Semaine du cerveau 2021 – « Moi, mon cerveau et les autres »

Dans l’agglomération lyonnaise, la programmation 2021 était construite autour du fil rouge thématique « Moi, mon cerveau et les autres » : une formule qui résume bien l’évolution des recherches en neurosciences au cours des dernières décennies, et les défis qui animent actuellement la communauté scientifique. En effet, confrontés à l’immense complexité du cerveau, les chercheurs ont d’abord développé des approches expérimentales centrées sur l’étude des fonctions sensorielles et motrices, le « moi », jusqu’à la fin du XXe siècle : mémoire, sommeil, langage, motricité… de vastes territoires d’étude centrés sur la neurobiologie de l’individu. Depuis, les progrès en particulier expérimentaux ont permis de belles avancées dans l’étude et la compréhension du « cerveau social », qui régit nos interactions avec les autres. Par quels mécanismes partage-t-on les émotions ressenties par les autres et comment pouvons-nous deviner leurs intentions ? Certains troubles du comportement social ne seraient-ils pas associés au dérèglement de circuits neuronaux identifiables ? Plus récemment, les neurosciences s’aventurent également du côté des interfaces cerveau-ordinateur, et de l’intelligence artificielle.

Rémi Gervais, conseiller scientifique de la Semaine du Cerveau à Lyon
Professeur Émérite en neurosciences, Université Claude Bernard Lyon 1 – Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon (CNRS/Université Claude Bernard / Inserm / Université Jean Monnet)

>>> Des conférences en ligne pour nourrir votre cerveau

L’édition 2021 de la Semaine du Cerveau s’est déroulée intégralement en ligne. Les rencontres ont été enregistrées et sont disponibles sur la chaîne Youtube de Pop’Sciences. Retrouvez ci-dessous l’intégralité des thématiques et intervenants, ainsi que les liens des vidéos.

• Changer le corps et l’espace pour sonder et changer l’esprit

Dans le contexte de la recherche en neurosciences cognitives, la réalité virtuelle (RV) offre l’opportunité de créer des situations inédites en laboratoire, tout en permettant de garder le contrôle expérimental rigoureux nécessaire pour mener à bien des expériences dans des condition pseudo-naturelles. Utilisée seule, ou couplée à des outils propres de la recherche fondamentale en neurosciences, elle ouvre la voie à une meilleure connaissance des fonctions cérébrales allant de la perception visuelle 3D, passant par le contrôle moteur, jusqu’au vécu émotionnel et son retentissement sur la distance que l’on met entre nous et les personnes qui nous entourent. Elle nous permet même de changer temporairement l’apparence de notre corps, avec des conséquences parfois sur notre pensée. Autant de puissance réveille fascination et questionnement éthique, deux compagnons inséparables pour l’avenir de l’usage de la RV en sciences. Une conférence est proposée dans le cadre du Festival Science et Manga, organisé par la Bibliothèque universitaire Sciences de l’Université Claude Bernard Lyon 1.

Intervenants : Alessandro Farné, directeur de la plateforme Neuro-Immersion du Centre de recherche en neurosciences de Lyon, et Jérôme Goffette, philosophe des sciences à l’Université Claude Bernard Lyon 1.

• Émotions et comportement social

Quel est le lien entre reconnaissance des émotions et comportement social ? La capacité des enfants à reconnaître les émotions (transmission faciale et vocale) est un facteur essentiel pour les interactions sociales, notamment dans le contexte de pathologies génétiques. Que sait-on alors des liens entre reconnaissance des émotions, comportement social et pathologies psychiatriques ?

Intervenante : Marie-Noëlle Babinet, neuropsychologue à GénoPsy – Centre de Référence des Maladies Rares (Centre Hospitalier Le Vinatier) et doctorante au laboratoire Étude des mécanismes cognitifs

• Binge drinking, les cerveaux qui trinquent
  

Le binge drinking, qui désigne des comportements le plus souvent groupaux et épisodiques de forte alcoolisation, est un phénomène largement répandu chez les adolescents et les jeunes adultes. Cette pratique, empreinte d’une forte valeur rituelle, n’est pas sans conséquences à court et à long terme sur le cerveau.

Conférence traduite en langue des signes française.

Intervenants : Marc Antoine Douchet, chargé d’études en sciences humaines et sociales, Observatoire Français des Drogues et des Toxicomanies, Fabien Gierski, maître de conférences en neuropsychologie, Université de Reims Champagne Ardenne, Benjamin Rolland, professeur des universités praticien hospitalier (PUPH), Centre Hospitalier Le Vinatier, Hospices Civils de Lyon, Centre de recherche en neurosciences de Lyon

• Cerveau biologique et intelligence artificielle : quels rapports ?

Les algorithmes d’intelligence artificielle font désormais partie de notre quotidien. Ont-ils des similarités avec le fonctionnement du cerveau ? En quoi peuvent-ils contribuer aux recherches en neurosciences ?

Intervenants : Jérémie Mattout, chargé de recherche Inserm au sein du Centre de recherche en neurosciences de Lyon et Emanuelle Reynaud, maître de conférences à l’Université Lyon 2 et membre du laboratoire Étude des mécanismes cognitifs.

• Une histoire d’intelligence artificielle

Depuis quelques années, on parle beaucoup de l’intelligence artificielle… comme si c’était une nouvelle révolution ! Mais est-ce vraiment le cas ? Qu’est-ce que l’IA et que bouleverse-t-elle tant ?

Intervenante : Amélie Cordier, docteure en intelligence artificielle, présidente de Lyon-iS-Ai

• Pourquoi ma blague est tombée à l’eau ? Plongée au cœur des mécanismes de la cognition sociale et de la compréhension de l’autre

La cognition sociale est la capacité à comprendre et décoder les émotions et les intentions des autres. Gros plan sur cette fonction essentielle dans les interactions sociales par le biais d’extraits de films ou de séries discutés par des professionnels de la psychiatrie.

Intervenants : Laura Bon, neuropsychologue au Centre Hospitalier Le Vinatier, doctorante à l’Institut des Sciences Cognitives Marc Jeannerod, et Romain Tabone, psychologue au Centre Référent Lyonnais en Réhabilitation et Remédiation cognitive/Centre Hospitalier Le Vinatier

• Ne parle pas si vite !

Comment notre cerveau s’adapte-t-il à quelqu’un qui parle avec un débit d’avalanche ? Peut-on accélérer sans limite ? Et les locuteurs du japonais, ils parlent vraiment plus vite que nous, non ? Parlent-ils donc moins longtemps pour dire la même chose ? Cet exposé vous dévoile les liens entre débit de parole et rythmes cérébraux et expliquera l’influence des différences entre langues sur la vitesse de parole.

Conférence traduite en langue des signes française.

Intervenants : Véronique Boulenger et François Pellegrino, chercheurs au laboratoire Dynamique du langage

• Comment notre cerveau apprend-il à faire des maths ?

Les nombres sont partout autour de nous et les compétences en mathématiques deviennent primordiales dans notre société de l’information. Comment les connaissances mathématiques des enfants se construisent-elles, en partie, à travers la vie quotidienne familiale ? Comment notre cerveau arrive-t-il à résoudre sans effort un problème arithmétique tel que “2+3” ? Nous essayerons ici de répondre à ces questions en discutant de l’état des connaissances actuelles sur les neurosciences des mathématiques.

Intervenants : Andrea Diaz-Barriga Yanez, Cléa Girard et Jérôme Prado, membres du Centre de recherche en neurosciences de Lyon

• Comment sonder les mystères de l’esprit des bébés ?

Notre nature sociale affecte la façon dont nous percevons notre environnement. Par exemple, nous voyons les visages avant toute autre chose. Quels sont les mécanismes cérébraux influençant notre vie sociale, et comment apparaissent-ils ? Des scientifiques illustreront comment les sciences cognitives révèlent les aspects les plus cachés de notre cerveau social qui se développe dès le plus jeune âge !

Intervenant : Jean-Rémy Hochmann, chercheur à l’Institut des Sciences Cognitives Marc Jeannerod

• Sur les traces de la mémoire

Qu’est-ce que la mémoire et à quoi sert-elle ? Sous quelle forme et où conservons-nous nos connaissances, nos souvenirs, nos habiletés ? Quels sont les liens entre la mémoire et d’autres phénomènes, comme les émotions ou la musique ? Une équipe de chercheurs et chercheuses présente l’état actuel de nos connaissances sur ce sujet fascinant.

Intervenants : Hanna Chainay, Olivier Koenig, Gaën Plancher et Rémy Versace, , membres du Laboratoire Étude des Mécanismes Cognitifs

• Cerveau et IRM en résonance !

L’essor des neurosciences s’est fait en parallèle de celui l’imagerie. Mais que voit-on sur une image d’IRM, comment est-elle faite, quel sens lui donner ? Les laboratoires d’excellence CORTEX et PRIMES vous invitent à en apprendre davantage sur les liens entre neurosciences et IRM, de la construction de l’image à son interprétation.

Intervenants : Étienne Abassi, doctorant à l’Institut des Sciences Cognitives Marc Jeannerod, Loïc Magrou post-doctorant à l’Institut Cellule Souche et Cerveau, Hélène Ratiney, chercheuse au Centre de Recherche en Acquisition et Traitement de l’Image pour la Santé, Kevin Tse Ve Koon, maître de conférences à Lyon 1, chercheur au Centre de Recherche en Acquisition et Traitement de l’Image pour la Santé, Magalie Viallon, physicienne médicale au CHU de Saint-Etienne, chercheuse au Centre de Recherche en Acquisition et Traitement de l’Image pour la Santé, Fabien Chauveau, chercheur au Centre de recherche en neurosciences de Lyon.

SSemaine du cerveau 2019 – perception, action, mémoire – développement

La 21^e édition de la Semaine du Cerveau à Lyon a proposé, du 5 au 20 mars 2019, une plongée dans la recherche en neurosciences, en particulier dans les domaines de la perception, de l’action, de la mémoire ou du développement.

> Les conférences : cliquez ici

> Les podcasts :

• Accord musical et accord olfactif | Conférence du 13 mars 2019 – Lieu : MLIS Villeurbanne
• Comprendre les émoticônes, émojis : de la sémiotique aux sciences cognitives | Conférence du 11 mars 2019 – Lieu : Théâtre Kantor – ENS de Lyon

Article #4 – Dossier Pop’Sciences Diagnostic 2.0 : Quand l’IA intervient

Améliorer l’interprétation de l’imagerie médicale (IM) pour en optimiser l’exploitation est au cœur des enjeux de l’intelligence artificielle (IA). L’IA n’est plus “seulement” un domaine de recherche en plein essor et ses applications en sont, aujourd’hui, multiples.  Objectifs affichés : augmenter la précision du diagnostic afin d’améliorer la prise en charge thérapeutique, en évitant les erreurs potentiellement lourdes de conséquences. La guerre des algorithmes est ouverte pour aller toujours plus loin !

Un article de Nathaly Mermet, journaliste scientifique, rédigé
pour Pop’Sciences – 5 septembre 2023

Améliorer l’interprétation de l’imagerie médicale pour en optimiser l’exploitation est au cœur des enjeux de l’intelligence artificielle ©Unsplash

Initialement réservée au diagnostic des fractures des os, l’imagerie médicale a bénéficié d’avancées majeures dans l’ensemble des domaines thérapeutiques. Aujourd’hui, cette spécialité comprend la radiologie diagnostique (radiographies, scanners, IRM, échographie) et la radiologie interventionnelle, à savoir une forme de chirurgie mini-invasive qui utilise l’imagerie pour se repérer, comme pour déboucher une artère en cas d’AVC (accident vasculaire cérébral).

L’imagerie fonctionnelle en est le dernier exemple. Encore émergente et faisant l’objet de projets de recherche, elle vise à révéler les propriétés d’une zone étudiée, notamment sa fonctionnalité (par IRM, Rayons X…) ou à restituer des informations fonctionnelles (par TEP, IRM Fonctionnelle…).

“ L’IA d’aujourd’hui n’est pas la même que celle d’il y a 10 ans, et également différente de celle dont on disposera dans 10 ans” souligne le Dr Alexandre Nérot, médecin radiologue issu de l’Université de Lyon, spécialiste de radiologie interventionnelle et auteur d’une thèse d’exercice sur l’IA (développement d’intelligences artificielles par réseau de neurones). Actuellement en activité au Centre Hospitalier d’Annecy, il nous indique qu’en radiologie, l’usage de l’IA pour l’analyse d’image est attendu et à la fois craint depuis la révolution technologique qu’elle a généré en 2012. “L’évolution se fait par marche, déclenchant à chaque fois des développements de manière exponentielle, mais l’IA actuelle reste un outil et est encore loin de remplacer le radiologue” déclare-t-il, indiquant que si un jour la radiologie venait à être renversée par l’IA alors le problème sera sociétal et pas uniquement cantonné à la radiologie.

En pratique, “l’intérêt, déjà énorme, de l’IA en imagerie médicale est double : elle permet à la fois l’analyse des images, mais peut aussi améliorer de la qualité d’image, grâce à ses « connaissances » acquises en anatomie. Cela nous permet un gain de temps considérable dans la réalisation des images, jusqu’à 14 fois plus rapide ” reconnaît-il, indiquant que pour une fracture, par exemple, le radiologue n’interprète que rarement la radio, mais analyse davantage l’échographie, l’IRM et le scanner. Autre exemple, une mammographie bénéficiera quant à elle d’une double lecture : par le radiologue et par une IA. “L’intérêt n’est pas de remplacer le radiologue, mais d’apporter une nouvelle lecture” insiste Alexandre.

Parmi les perspectives d’applications séduisantes de l’IA pour l’IM : la surveillance de l’activité cérébrale et notamment ses réactions aux stimuli moteurs, émotionnels et mentaux. L’extension de l’IA au service de l’IM dans tous les champs médicaux est donc vertigineuse !

<Les biais à l’épreuve des algorithmes

Les algorithmes ont pour “mission” d’apprendre à repérer des anomalies sur les images, et à détecter de manière fiable et rapide certaines structures subtiles. ©Pexel

Les algorithmes de machine learning, ou apprentissage automatique, ont pour “mission” d’apprendre à repérer des anomalies sur les images, et à détecter de manière fiable et rapide certaines structures subtiles. Grâce aux applications de l’IA à la médecine, il est désormais possible d’analyser massivement toutes sortes d’images dans le but de dépister les tumeurs et autres anomalies. Mais paradoxalement, les algorithmes ne sont pas toujours cliniquement pertinents. C’est ce qu’explique l’étude « Machine learning for medical imaging: methodological failures and recommendations for the future » (en français : Apprentissage automatique pour l’imagerie médicale : échecs méthodologiques et recommandations pour l’avenir), qui décortique les mécanismes à l’œuvre derrière ce paradoxe ^[1]. Selon les auteurs, face aux biais qui faussent les modèles, en particulier l‘insuffisance des données (quantitative et/ou qualitative) pour entraîner l’algorithme, l’informaticien doit sortir de sa zone de confort et communiquer avec le médecin qui est l’utilisateur de ces algorithmes. “Le manque de données est plutôt de l’imprécision, mais peut créer des biais si les données ne sont pas représentatives du cas réel” précise Alexandre Nérot.

Par ailleurs, dès lors qu’interviennent le Deep Learning et les réseaux de neurones artificiels*, on est en « zone d’opacité », dans laquelle l’explicabilité des résultats n’est pas évidente et où le médecin n’est pas toujours en mesure de comprendre comment l’outil a transformé les données en résultat. Il est donc nécessaire que développeurs et professionnels de santé utilisateurs parviennent à adopter un langage commun pour marier performance et sens. “De plus en plus, il y aura besoin de profils hybrides à l’interface des deux mondes” analyse le Dr Nérot, lui-même développeur, en capacité d’échanger avec les sociétés de développement, indiquant que, grâce à la mise en place d’un diplôme d’IA pour les radiologues, il y aura chaque année une promotion dotée de la double compétence. “Sans devenir un spécialiste, mais avec la volonté de s’y intéresser, chaque médecin devra à l’avenir avoir une petite culture d’IA” affirme-t-il.

ÀÀ l’aube de l’IA 4 IM : déjà des apports majeurs, mais tellement plus à attendre encore !

Si en une décennie, la reconnaissance automatique d’images a bénéficié de progrès fulgurants, la puissance des algorithmes reste le nerf de la guerre pour “aller plus loin”. La compétition fait rage pour quantifier l’erreur et réduire l’incertitude en imagerie médicale afin de garantir la fiabilité et la précision des résultats obtenus.

Outre la quantité, il convient de disposer de données de haute qualité, contrôlées, afin d’entraîner des algorithmes d’IA à délivrer des résultats justes et précis… et leur validation reposera nécessairement sur la comparaison avec ceux obtenus par des experts humains, qui doivent rester les référents. CQFD :  l’IA reste tributaire à la fois des données et de la puissance des algorithmes.  La “data” est donc au cœur des enjeux, et c’est de fait là où le bât blesse si elle s’avère insuffisante, incomplète ou manquante. Composante faisant partie intégrante de l’IA, le machine learning va consister à alimenter le logiciel de milliers de cas cliniques grâce à la contribution des professionnels de santé afin qu’il soit en mesure d’effectuer des tâches de classement, permettant, par exemple, d’identifier des grains de beauté ou des mélanomes malins.

Si on estime que le médecin “réussit à 80%” une identification de cellules, la valeur ajoutée de l’IA n’existe que si elle dépasse largement cette probabilité, pour idéalement s’approcher d’une fiabilité à 100% et apporter une véritable sécurité. Précieux outil pour aider les médecins à diagnostiquer avec plus de précision et de rapidité, l’IA garde pour l’heure le statut… d’outil !

LL’IA appliquée à un monde de variables : l’imagerie médicale

Extrait de la table ronde « IA et santé » organisée par Pop’Sciences le 26 juin 2023. Un rendez-vous professionnel chercheur / journaliste, développé en collaboration avec le Club de la presse de Lyon (Projet LYSiERES²).

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Notes :

[1] Le “machine learning” consiste à apporter une solution à un problème donné en s’appuyant sur un réseau de neurones organisés selon une architecture particulière. Le deep learning est une façon de faire du machine learning en intégrant une quantité importante de données (Big Data)

PPour aller plus loin :

[1] https://www.inria.fr/fr/imagerie-medicale-intelligence-artificielle-apprentissage-automatique

• L’intelligence artificielle bouleverse le diagnostic en oncologie
• 12 LabEx impliqués
• Rouzeau S. (2019). Artificial intelligence: which prescription for the health sector? Les Echos
• Les start-ups françaises de la santé s’emparent de l’intelligence artificielle
• Demain : intelligence artificielle et santé, les données au service du patient
• https://idexlyon.universite-lyon.fr/idexlyon/version-francaise/navigation/les-actualites/journee-scientifique-inter-labex-intelligence-artificielle-transformations-et-defis-143684.kjsp