Recherche anatomique utilisant l’intelligence artificielle
Les données d’imagerie de contraste et les approches d’apprentissage automatique peuvent désormais modéliser l’architecture 3D de la musculature de la mâchoire. Crédit : Université du Missouri
Il fut un temps, il n’y a pas si longtemps, où des scientifiques comme Casey Holliday avaient besoin de scalpels, de ciseaux et même de leurs propres mains pour mener des recherches anatomiques. Mais maintenant, avec les récentes avancées technologiques, Holliday et ses collègues de l’Université du Missouri utilisent l’intelligence artificielle (IA) pour voir à l’intérieur d’un animal ou d’une personne – jusqu’à une seule fibre musculaire – sans jamais couper.
Holliday, professeur agrégé de pathologie et de sciences anatomiques, a déclaré que son laboratoire de la MU School of Medicine est l’un des rares laboratoires au monde à utiliser actuellement cette approche de haute technologie.
L’IA peut apprendre aux programmes informatiques à identifier une fibre musculaire dans une image, comme un scanner CAT. Ensuite, les chercheurs peuvent utiliser ces données pour développer des modèles informatiques 3D détaillés des muscles afin de mieux comprendre comment ils fonctionnent ensemble dans le corps pour le contrôle moteur, a déclaré Holliday.
Holliday, ainsi que certains de ses étudiants actuels et anciens, l’ont fait récemment lorsqu’ils ont commencé à étudier la force de morsure d’un crocodile.
« La particularité des têtes de crocodiles est qu’elles sont plates, et la plupart des animaux qui ont évolué pour mordre très fort, comme les hyènes, les lions, les T. rex et même les humains, ont des crânes très hauts, car tous ces muscles de la mâchoire sont orientés verticalement ». dit Holiday. « Ils sont conçus de cette façon afin qu’ils mettent une grande force de morsure verticale dans tout ce qu’ils mangent. Mais les muscles d’un crocodile sont orientés plus horizontalement. »
Les modèles 3D de l’architecture musculaire pourraient aider l’équipe à déterminer comment les muscles sont orientés dans les têtes de crocodile pour aider à augmenter leur force de morsure. Aider à diriger cet effort est l’un des anciens étudiants de Holliday, Kaleb Sellers, qui est maintenant chercheur postdoctoral à l’Université de Chicago.
« Les muscles de la mâchoire ont longtemps été étudiés chez les mammifères avec l’hypothèse que des descripteurs relativement simples de l’anatomie musculaire peuvent vous en dire beaucoup sur la fonction du crâne », a déclaré Sellers. « Cette étude montre à quel point l’anatomie des muscles de la mâchoire est complexe dans un groupe de reptiles. »
Le laboratoire de Holliday a commencé à expérimenter l’imagerie 3D il y a plusieurs années. Certaines de leurs premières découvertes ont été publiées en 2019 avec une étude en Biologie Organique Intégrative qui a montré le développement d’un Modèle 3D des muscles squelettiques d’un étourneau sansonnet.
Les données d’imagerie de contraste et les approches d’apprentissage automatique peuvent désormais modéliser l’architecture 3D de la musculature de la mâchoire. Crédit : Université du Missouri
Transition vers un monde numérique
Historiquement, Holliday a déclaré que la recherche anatomique – et une grande partie de ce qu’il a fait en grandissant – impliquait de disséquer des animaux avec un scalpel ou des ciseaux, ou ce qu’il appelle une approche « analogique ». Il a été initié pour la première fois aux avantages de l’utilisation de l’imagerie numérique pour étudier l’anatomie lorsqu’il a rejoint le projet « Sue the T. rex » à la fin des années 1990. À ce jour, il reste l’un des spécimens de Tyrannosaurus rex les plus grands et les mieux conservés jamais découverts.
Holliday se souvient du moment où le crâne géant du T. rex a été transporté au laboratoire de terrain de Boeing à Santa Susana en Californie pour être imagé dans l’un des énormes scanners CAT de la société aérospatiale normalement utilisés pour scanner les moteurs à réaction des avions commerciaux.
« À l’époque, c’était le seul scanner CAT au monde assez grand pour contenir un crâne de T. rex, et avait également la puissance nécessaire pour pousser les rayons X à travers les rochers », a déclaré Holliday. « En sortant de l’université, j’avais envisagé de devenir technicien en radiologie, mais avec le projet Sue, j’apprenais tout sur la façon dont ils CAT scannaient cette chose, et cela m’a vraiment attiré. »
De nos jours, Holliday a déclaré que nombre de ses étudiants actuels et anciens à MU apprennent à comprendre l’anatomie en utilisant les méthodes d’imagerie et de modélisation « de pointe » que lui et ses collègues créent. L’une de ces étudiantes est Emily Lessner, une récente ancienne élève de MU qui a développé sa passion pour les « animaux morts depuis longtemps » en travaillant dans le laboratoire de Holliday.
« Le processus de numérisation n’est pas seulement utile à notre laboratoire et à la recherche », a déclaré Lessner. « Cela rend notre travail partageable avec d’autres chercheurs pour aider à accélérer les progrès scientifiques, et nous pouvons également les partager avec le public en tant qu’outils éducatifs et de conservation. Plus précisément, mon travail sur les tissus mous et les corrélats osseux chez ces animaux n’a pas seulement créé des centaines de futures questions à répondre, mais a également révélé de nombreuses inconnues. De cette façon, non seulement j’ai acquis des compétences en imagerie pour m’aider dans mon futur travail, mais j’ai maintenant plus qu’une carrière d’avenues à explorer.
Holliday a déclaré que des plans étaient également en cours pour pousser leurs modèles anatomiques 3D un peu plus loin en étudiant comment les mains humaines ont évolué depuis leurs ancêtres évolutifs. Le projet, qui en est encore à ses débuts, a récemment reçu une subvention de la Fondation Leakey. Rejoindre Holliday sur le projet sera deux de ses collègues de MU, Carol Ward, professeur émérite des conservateurs de pathologie et de sciences anatomiques, et Kevin Middleton, professeur agrégé de sciences biologiques.
Alors qu’environ 90% des recherches effectuées dans le laboratoire de Holliday consistent à étudier des choses qui existent dans le monde moderne, il a déclaré que les données qu’ils collectent peuvent également éclairer les archives fossiles, comme des connaissances supplémentaires sur la façon dont le T. rex se déplaçait et fonctionnait.
« Avec une meilleure connaissance de l’anatomie musculaire réelle, nous pouvons vraiment comprendre comment le T. rex pourrait vraiment faire des contrôles moteurs fins et des comportements plus nuancés, tels que la force de morsure et le comportement alimentaire », a déclaré Holliday.
