Inclassables Mathématiques 2.0

La formation cardiaque se fait grâce à un réseau de gènes communicant entre eux. Ce réseau moléculaire a été cartographié pour la première fois, et leur ressemblance avec les réseaux sociaux type Facebook est frappante. Cette découverte surprenante a été faite par un groupe de chercheurs mené par des scientifiques danois, et influera certainement sur notre compréhension des maladies cardiaques, mais aussi sur celle de maladies telles que la schizophrénie, l'autisme ou encore la démence. De plus, les résultats pourraient montrer la voie pour de nouveaux traitements tels que les thérapies cellulaires.

Des chercheurs de l'Université de Copenhague, en collaboration avec l'Université Technique du Danemark, la Harvard Medical School et le Massachusetts Institute Of Technology ont analysé le développement cardiaque foetal, en utilisant des supers ordinateurs. Ils ont ainsi pu observer comment des centaines de gènes différents se coordonnent pour donner des réseaux de communication moléculaires au cours du développement cardiaque.

"A notre grande surprise, il semblerait que ces réseaux suivent les mêmes lois mathématiques qu'Internet et que les réseaux sociaux tels facebook," expliquent les directeurs de projet à l'origine de ce travail, Kasper Lage de la Harvard Medical School et du Massachussetts Institute of Technology, et Lars Allan Larsen, du Centre Wilhelm Johannsen pour la Recherche sur le Génome Fonctionnel, de l'Université de Copenhague. "Nous avons utilisé le développement cardiaque comme modèle, car le coeur est bien décrit et que beaucoup de données sont disponibles. D'ailleurs, ce processus est généralisable à tous les organes vitaux, tels que le cerveau, le foie ou les reins. Ce sont des processus qui sont loins d'être compris, car ils sont basés sur des interactions compliquées entre des centaines de gènes qui communiquent dans le temps et dans l'espace. L'élucidation de ces principes biologiques de base permettra d'augmenter nos connaissances sur le développement des organes, et facilitera ainsi le développement de nouveaux traitements tels que les traitements par les cellules souches ou d'autres types de médecine régénérative."

Søren Brunak, du Centre d'Analyse biologique séquentielle de l'Université technique du Danrmark, explique la méthode utilisée pour cette découverte : " l'utilisation de supers ordinateurs nous a permis d'intégrer de grandes quantités de données de milliers d'expériences précédentes. Ainsi, nous avons cartographié les réseaux moléculaires dirigeant le développement cardiaque, qui sont défectueux dans les maladies cardiaques. Nous avons effectué des expériences à la suite de ces analyses, qui ont confirmé la structure des réseaux calculée par l'ordinateur.

Cette découverte donne aussi un aperçu des mécanismes coordonnant le développement et l'entretien du cerveau, même si celui-ci est bien plus compliqué que le coeur. Niels Tommerup, du Centre Wilhelm Johannsen pour la Recherche sur le Génome Fonctionnel, explique : "Nous pouvons maintenant utiliser la même stratégie pour caractériser les réseaux moléculaires complexes qui sont interrompus chez les patients souffrant de dépression, démence, schizophrénie, autisme, épilepsie ou hyperactivité."

Les résultats de ces travaux ont été publiés dans la revue scientifique Molecular Systems Biology.

Source: http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/64533.htm

Loi d’équilibre génétique

Voilà un sujet fort passionnant qui va certainement intéresser Didier notre collègue blogueur. C'est d'ailleurs certainement la lecture de son blog qui a encouragé quelques chercheurs à se pencher sur le problème majeur bovin, à savoir: comprendre la dynamique des vaches ( repas, lever, coucher...). Qui n'a pas remarqué que lorsque l'une se couche , les autres ne tardent pas à le faire, et qu'il en est de même lorsqu'elles se relèvent?

La vache: Image prélevée sans autorisation (Aïe) sur le Blog-notes mathématiques du Coyote

Je vous vois déjà esquisser un sourire, en pensant que les matheux n'ont que ça à faire de se préoccuper de ce type de sujet, mais c'est sans compter les succès passés déjà obtenus dans le domaine du comportement collectif animalier avec quelques équations "simples". Les mathématiques ont réussi à modéliser le vol de oiseaux en groupe,s  compris le comportement des essaims d'insectes, mis à jour la coopération des bactéries en phase de croissance et les décisions collectives des bancs de poisson.

Revenons à nos vaches. Pour les spécialistes, on peut imaginer que la vache est un oscillateur simple (un ressort par exemple)  et que le comportement du groupe peut être modélisé par leur couplage. Les éleveurs ont d'ailleurs remarqué que lorsque les vaches ne peuvent pas toutes se coucher en même temps par manque de place la productivité chute. L'analyse quantitative du phénomène peut permettre de mieux comprendre ce phénomène par exemple en prenant la distance entre chacune d'entre elles comme variable. Il est aussi possible de mieux évaluer l'importance de paramètres externes (LSD?).

Compléments et Source: Publication Arxiv.

Mon mouton que j'ai adopté et qui est un peu jaloux que personne ne s'occupe de lui...

http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/61884.htm

J'ai lu un livre très intéressant pendant ces vacances de fin d'année : "The Drunkard's Walk", de Leonard Mlodinow. L'auteur de cette "Promenade de l'Ivrogne" est un physicien qui, après avoir décroché un doctorat en physique théorique à Berkeley et une bourse de la Fondation Alexander von Humboldt à l'Institut Max Planck de Munich, a écrit des scénarios pour la télé et le cinéma (Hunter, MacGyver, Star trek: The Next Generation), puis a produit des jeux vidéos, pour finalement revenir dans le monde académique en 2005 comme enseignant au California Institute of Technology.

La thèse du livre est simple : notre vie est dominée par le hasard, mais notre cerveau étant programmé pour reconnaître des schémas (patterns), nous sommes incapable de voir l'aléatoire là où il se manifeste. Prenons l'un des mythes du monde moderne : le mérite. "Les gens ignorent systématiquement le rôle du hasard dans le succès des entreprises et des individus", écrit Mlodinow. Vous souvenez-vous de Stanley O'Neal ? Une parenthèse : comment reconnait-on le mérite, de nos jours ? Grâce au salaire, bien sûr. Si on est très bien payé, on est très bon. M. O'Neal a gagné 48 millions de dollars en 2006, et 46 en 2007. Plus que très bon. Un génie. Sans aucun doute. A tel point que, en quittant son poste à la fin de 2007, M. O'Neal a été remercié pour ses bons services avec un supplément d'environ 160 millions de dollars. Et que personne ne dise que le mérite n'existe pas ou qu'il n'est pas bien récompensé.

Pourquoi, alors, CNBC a-t-elle classé Stan O'Neal parmi les Plus Mauvais PDG Américains de Tous les Temps ? Parce que O'Neal est le PDG responsable de l'entrée de la firme de consultants financiers Merrill Lynch dans l'arène des sub-primes, ce qui a causé à l'entreprise des pertes de 8 milliards de dollars. Les 160 millions de dollars sont la prime du licenciement qui a suivi ce désastre. Génie ou idiot, nous demande implicitement Mlodinow ? Si l'on juge O'Neal sur la base de ses résultats, on doit conclure que le génie peut évoluer vers l'idiotie en l'espace de quelques mois. Si, par contre, les succès anciens et les insuccès récents de M. O'Neal sont dus au hasard, quel mérite est-on en train de récompenser par des millions de dollars ?

Je réfléchissais à cette histoire de mérite vs. hasard, quand mon attention a été capturée par un article du Houston Chronicle : "HISD may fire teachers over test scores". Le Rectorat de Houston (Houston Independent Schools District) pourrait mettre à la porte des enseignants sur la base des résultats (des élèves) aux tests.

http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/61810.htm

Les changements climatiques inquiètent de plus en plus, non seulement les scientifiques mais également le monde agricole, notamment en raison des impacts qu'ils ont ou auront sur les pratiques culturales. D'après les climatologues, les changements climatiques ont eu pour conséquence un bouleversement planétaire des rythmes saisonniers. En effet, comparé à la situation quelques décennies en arrière, le printemps est plus précoce, ce qui entraîne notamment une floraison anticipée des plantes. Pour comprendre l'impact de ces phénomènes, les chercheurs tentent de mettre au point des modèles mathématiques permettant de prédire les effets éventuels des bouleversements météorologiques sur les cultures. Nous avions déjà abordé ce thème dans un précédent bulletin qui exposait les travaux de recherche de scientifiques de l'ARS (Agricultural Research Service) et de la NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), lesquels ont mis au point des modèles numériques pour l'aide à la décision agricole (date des pâtures, estimation des rendements, etc.) en lien avec le climat. Ce projet avait pour but de fournir aux exploitants des données locales les plus pertinentes, à savoir des variations à court terme ou des ruptures par rapport aux moyennes à long terme.

Voilà la Webcam :

Le cancer est l'une des causes majeures de décès dans le monde (en particulier dans les pays en développement), avec environ 11 millions de personnes diagnostiquées et environ 7 millions de personnes qui meurent chaque année. Les prévisons de l'Organisation mondiale de la santé  sont d'environ 9 millions de morts en 2015 et de  11,5 millions de décès en 2030 par cancer.

Le cancer est un sujet très important de la recherche médicale, mais de façon assez inattendue aussi de la recherche en mathématiques appliquées.

Le processus démarre avec la division incontrollée de quelques cellules. les déchets sont expulsés à la surface de la tumeur. Une fois que la tumeur atteint une certaine taille les propriétés des bords de la tumeur se modifient en raison de l'importance des déchets. Elle devient plus agressive.

Les mathématiques sont déjà utilisées pour modéliser la croissance de tumeurs cancéreuses dans la phase pré-invasive. Une équipe de l'université de Dundee est en train de concevoir un modèle global de croissance. Un tel modèle doit fonctionner sur plusieurs niveaux, sub-cellulaire, cellulaire et macroscopique. L'objectif de ce projet est de simuler un cancer virtuel afin d'améliorer les traitements.

La partie continue du modèle serait composée d'un système d'équations de réaction-diffusion modélisant les modifications de concentration des substances chimiques libérées dans les cellules de la tumeur et les tissus environnants  les changements qui en résultent pour les tissus et  la tumeur.

Ce sont visiblement des équations identiques à celles permettant de modéliser la diffusion des pigments donnant naissance aux tâches et rayures du pelage de certains animaux.

L'article complet ( en anglais) sur Plus magazine

Alors que les problématiques environnementales liées aux espèces invasives prennent de plus en plus d'ampleur aux Etats-Unis, notamment en raison des dégâts occasionnés sur les espaces boisés des rocheuses et des Appalaches, des chercheurs de l'université californienne UC Davis ont tenté d'évaluer avec plus de précisions les facteurs influençant la propagation d'une espèce animale. Alan Hasting (chercheur à l'université UC Davis) et Brett Melbourne (maître de conférence à l'université du Colorado) ont rendu public les résultats de leur recherche portant sur la difficulté d'évaluer le potentiel invasif d'une espèce donnée.

Si la détermination de la vitesse moyenne de dispersion d'espèces invasives a fait l'objet de nombreuses études, peu de recherches portent actuellement sur l'évaluation du potentiel invasif d'espèces données. Publiés dans la revue Science du 18 septembre 2009 et financés par la "National Science Foundation" [3], ces récents travaux soulignent la difficulté de prédire les comportements malgré la prise en compte d'incertitudes telles que la variabilité environnementale, démographique ou génétique.

Deux méthodes existent actuellement pour déterminer le potentiel invasif d'une espèce et tenter d'anticiper les invasions. La première consiste à faire appel à la modélisation en évaluant les paramètres d'entrée. La seconde vise à extrapoler les résultats obtenus à partir d'observations et de données de terrain. Les chercheurs ont utilisé ces deux outils pour évaluer le degré d'incertitude du potentiel invasif du coléoptère "Tribolium Castaneum". Recréant 30 écosystèmes d'accueil identiques, ils ont étudié les déplacements et comportements de 600 coléoptères sur 13 générations. Ces expériences de laboratoire, couplées à un modèle mathématique, ont mis en évidence un degré de déplacement différent selon les générations, certaines se déplaçant sur l'ensemble du terrain d'étude alors que d'autres se contentaient d'occuper le tiers de l'espace.

Ces résultats soulignent donc la difficulté de cataloguer l'ensemble des facteurs influençant le comportement invasif d'une espèce. En effet, la variabilité intrinsèque à chaque espèce aurait une influence non négligeable sur sa propagation dans un écosystème d'accueil.

Source: Bulletins électroniques

Photo: JR Guillaumin

Voir aussi les très belles photos de coléoptères de Paula FJ

La crise est un cas magnifique pour un chercheur ; un cas intéressant, comme dirait un médecin d'un malade": Pierre-Louis Lions

Un article très interessant du Monde.fr

La crise permet de mieux cerner les faiblesses des modèles mathématiques. Quatre défis attendent les chercheurs.

La fiabilité des données

Gérer la pénurie

Les intéractions entre les acteurs

Mieux considérer les risques

Une simulation numérique montre le glacier du Rhône tel qu'il était en 1874 et tel qu'il sera probablement en 2100. Jamais une telle démarche n'a porté sur une si longue période et n'a pris en compte des données et modèles aussi complexes. Fruit d'une collaboration entre les deux Ecoles polytechniques fédérales, ces travaux vont servir à tous les acteurs concernés par l'état des glaciers.

L'article complet de l'EPFL : ICI

La page de Guillaume Jouvet avec les  animations vidéos: ICI