Macular : une plateforme unique de modélisation de la rétine

Entre Bruno Cessac et la rétine, la passion ne date pas d’hier. En 2010 alors qu’il étudiait les réseaux de neurones dynamiques, le physicien, désormais directeur de l’équipe-projet BioVision, du centre Inria d'Université Côte d'Azur, a fait une rencontre décisive : celle du neurobiologiste Adrian Palacios. 

« Grâce à lui, j’ai découvert que la rétine est un organe beaucoup plus malin et complexe que les caméras auxquelles on le compare souvent, expose Bruno Cessac. Un exemple ? Si vous courez en forêt, que le vent souffle, que tout bouge autour de vous, non seulement vous aurez malgré tout une image stable, mais vous serez en plus capable de détecter le passage d’un oiseau devant vous et d’y réagir en un temps très court. À ma connaissance, aucune caméra ne peut faire cela ! » 

Fasciné, le chercheur s’applique donc depuis plus de 15 ans à développer des modèles mathématiques capables de simuler la rétine pour mieux comprendre son fonctionnement. 

Depuis 2016, il s’y attèle au sein de l’équipe BioVision, qu’il a créée avec Pierre Kornprobst et que Hui-Yin Wu est venue compléter. Et ses travaux ont rapidement fait émerger une idée originale : concevoir pour les neurobiologistes une plateforme qui génère automatiquement des modèles de la rétine à partir d’équations écrites dans un langage simple, comme LaTeX.

« Pour étudier le fonctionnement de la rétine, normal ou pathologique, ou encore tester des hypothèses sur des traitements, les neurobiologistes ont besoin de modèles in silico, qui leur permettent de simuler le fonctionnement de la rétine plus simplement que dans la réalité, explique le chercheur. Or pour concevoir de tels modèles, il faut coder… et cela, c’est la spécialité d’Inria. » 

Il met donc sur pied le projet Macular… qui va mûrir et progresser pendant sept ans, en collaboration étroite avec le Service Expérimentation et Développement (SED) du centre Inria et avec l’aide d’une dizaine d’étudiants de passage au sein de BioVision pour un master ou un doctorat. 

La bonne nouvelle ? Grâce à de nombreuses collaborations avec des neurobiologistes (Adrian Palacios, Olivier Marre et Serge Picaud, de l’Institut de la vision ; Frédéric Chavane de l’Institut des neurosciences de la Timone ou encore Evelyne Sernagor, de l’université de Newcastle), de tels modèles existent déjà dans les cartons de BioVision.

« Les échanges avec ces collègues ont été indispensables : ils nous ont apporté le retour de leurs expériences pour calibrer et valider nos modèles, tandis que de notre côté, nous avons pu nous baser sur les équations pour leur indiquer les paramètres importants à prendre en compte », poursuit Bruno Cessac. 

Quatre modèles prototypes ont ainsi été développés: l’un sur les ondes rétiniennes, impliquées dans l’organisation et la maturation du système visuel lors du développement embryonnaire, l’autre sur le réseau rétinien incluant en particulier les cellules amacrines, un troisième sur le système rétino-cortical et un dernier proposant une simulation sommaire de prothèses rétiniennes. 

Ces modèles servent ainsi de fondation à Macular, mais par-dessus « le SED a accompli un travail colossal pour créer l’interface qui permet d’une part, de les adapter pour produire de nouveaux scenarii et d’autre part, de générer de nouveaux modèles facilement », reprend le chercheur. 

Cette interface, baptisée Macular Template Engine, délivre du code C à partir des équations fournies par les neurobiologistes et crée ainsi automatiquement les modèles imaginés. Le but n’étant pas, bien sûr, de simuler la rétine ou le système visuel primitif dans son ensemble, mais plutôt de vérifier des hypothèses sur des aspects spécifiques. 

Cerise sur le gâteau : les chercheurs et ingénieurs sont parvenus à faire de Macular l’une des rares plateformes de modélisation neuronale à pouvoir utiliser des vidéos en entrée. La grande majorité de celles qui existent n’acceptent en effet que des équations représentant des stimuli visuels ; elles ne peuvent donc pas refléter les expériences réellement menées par les biologistes, qui consistent à présenter des films aux sujets pour étudier les réactions de la rétine. 

« Pour parvenir à ce résultat, nous avons repris une interface, nommée Virtual Retina, développée il y a plus de 15 ans par Pierre Kornprobst et Adrien Wohrer, détaille Bruno Cessac. Nous l’avons améliorée puis intégrée à Macular : elle se charge d’effectuer le calcul qui permet la prise en charge du film par le modèle. » 

Enfin, restait un aspect tout aussi crucial que l’entrée : la sortie. Comment mesurer dans le modèle ce qui intéresse les biologistes ? « Là encore, la pluridisciplinarité du SED a permis aux ingénieurs de répondre à cette question, relate le directeur de BioVision. L’utilisateur peut choisir les variables qu’il souhaite suivre et même créer des graphes représentant l’évolution de ces variables au cours du temps. En parallèle, il peut visualiser les différentes couches rétiniennes ou corticales, en 2D ou en 3D, avec une activité qui apparaît en couleurs. » 

Et c’est ainsi que depuis fin 2025, Macular, accompagné de sa documentation scientifique et d’un article publié dans la revue Frontiers in Neuroinformatics, est à disposition de la communauté internationale sous forme d'un logiciel libre, fonctionnant sous les trois principaux systèmes d'exploitation (Linux, MAC OS et Windows). 

Bruno Cessac a donc atteint son but… mais cela n’empêche pas le chercheur de rêver encore : « Mon espoir est que la communauté scientifique s’en empare, d’abord pour en assurer l’indispensable évolution au gré des mises à jour des systèmes d’exploitation, mais également pour continuer à la développer, par exemple pour l’interfacer avec des modèles beaucoup plus complexes que ceux que nous avons définis jusqu’à présent, comme The Virtual Brain. »

D’ores et déjà, les simulations réalisées sur la plateforme ont permis la publication de deux articles de l’équipe BioVision. L’un démontre que « le taux de rafraîchissement des rétroprojecteurs, utilisés dans des expériences sur le système visuel, peut avoir un impact sur la perception, au niveau cortical et rétinien, des objets se déplaçant rapidement ». L’autre compare les mécanismes d'anticipation dans la rétine et dans le cortex visuel primaire. 

De plus en plus de recherches indiquant par ailleurs un lien entre santé de la rétine et maladies neurodégénératives, Macular pourrait aussi aider dans ce domaine. 

« La maladie d’Alzheimer par exemple entraîne des modifications cellulaires dans la rétine qui vont avoir un impact sur la perception visuelle, ajoute Bruno Cessac. Mais comment met-on ces changements de perception en évidence ? Avec Adrian Palacios et grâce à Macular, dans le cadre notamment du projet Esthetics et de l'équipe associée Fusion, nous cherchons les stimuli visuels qui permettraient de repérer ces modifications et donc de détecter plus précocement l’apparition de la maladie. C’est un nouveau champ de la recherche à développer ! » 

La plateforme pourrait aussi bien sûr servir de support aux enseignants-chercheurs, tant en neurobiologie qu’en modélisation et simulation… Ses concepteurs ne souhaitent finalement qu’une chose : qu’elle soit utilisée le plus largement possible pour faire progresser les connaissances sur le système visuel.

• The retina as a dynamical system, présentation de Bruno Cessac (vidéo en anglais), NeuroMat, 16/6/2021.
• La rétine: organisation et fonctionnement (vidéo), Mathilde Grassi, 20/4/2022.
• Au coeur des organes : l’œil et la vision (vidéo), Inserm, 18/4/2016.
• L’analyse de la rétine de l’œil pourrait permettre de diagnostiquer plus rapidement une maladie d’Alzheimer, France Alzheimer, 12/4/2022.

Contact

Bruno Cessac

Directeur de recherche - Équipe-projet BioVision