Multiscale harmonization and semantic integration of biomedical data enable biological insights through immersive exploration

Imaginez que vous essayiez de comprendre une ville en regardant une carte plate et bidimensionnelle. Vous voyez les rues et les bâtiments, mais vous ne pouvez pas ressentir la hauteur des gratte-ciel, la profondeur des tunnels de métro, ou comment une seule personne s'intègre dans une foule immense. Maintenant, imaginez que cette même ville est en réalité un corps humain, et qu'au lieu de simples rues, vous essayez de comprendre comment des trillions de minuscules cellules travaillent ensemble à l'intérieur d'organes comme le foie ou le cerveau. C'est le défi auquel est confrontée la biologie moderne. Les scientifiques collectent des quantités massives de données sur ces cellules — où elles se trouvent, ce qu'elles font et comment elles communiquent entre elles — mais ils sont généralement coincés à observer ces informations sur des écrans d'ordinateur plats. Le problème est que le corps humain est un puzzle tridimensionnel qui s'étend sur des distances immenses : de la taille d'une personne entière jusqu'à la taille microscopique d'une cellule unique. Pour véritablement comprendre comment nos corps fonctionnent, les chercheurs ont besoin d'un moyen de zoomer et de dézoomer dans ce monde biologique, pour voir comment une cellule minuscule se rapporte à un organe entier, et comment cet organe s'intègre dans l'ensemble du corps, tout en gardant leur sens de l'échelle.

C'est là qu'intervient un nouveau projet appelé « HRA : Powers of Ten ». Considérez cela comme un voyage en ascenseur en réalité virtuelle (VR) à travers le corps humain. Au lieu de plisser les yeux devant un écran plat, les scientifiques enfilent un casque VR et entrent dans un monde 3D où ils peuvent physement traverser des organes, saisir des cellules avec leurs mains et zoomer ou dézoomer comme s'ils montaient ou descendaient dans un ascenseur au sein d'un gratte-ciel géant inversé. L'article décrit comment l'équipe a construit cette expérience immersive pour aider les chercheurs à explorer des données biologiques complexes de manière naturelle et intuitive. En transformant des données arides en une aventure en 3D, ils espèrent repérer des motifs et des connexions qui sont invisibles lorsque tout est aplati sur une page en 2D. C'est la différence entre lire une recette et entrer réellement dans une cuisine pour voir comment les ingrédients s'assemblent.

L'ascenseur à travers votre corps

L'idée centrale de cet article est un outil appelé le « Multiscale Elevator System » (Système d'ascenseur multi-échelle). Imaginez le corps humain comme un immense gratte-ciel, mais à l'envers. Le dernier étage est le corps entier, et à mesure que vous descendez l'ascenseur, chaque étage représente une étape de plus vers le monde microscopique. À chaque étage que vous descendez, vous rétrécissez d'un facteur dix. Vous commencez en haut, en regardant 81 différents organes de référence en 3D. En descendant, vous pourriez vous arrêter à l'étage du « Gros Intestin », puis à l'étage de l'« Intestin Grêle », et finalement, vous descendriez tout en bas jusqu'à l'étage des « Groupes Cellulaires », où vous pouvez voir des cellules individuelles et même des molécules d'ARN.

L'article présente huit « scènes » ou arrêts spécifiques de ce voyage en ascenseur, chacun créé par différents scientifiques ayant apporté leurs propres données. Ces scènes couvrent cinq organes différents (ganglion lymphatique, cerveau, gros intestin, intestin grêle et foie) et utilisent cinq types différents de tests de laboratoire de haute technologie (comme CODEX, Visium et SBF-SEM) pour recueillir des informations. L'objectif n'était pas seulement de créer une belle image ; il s'agissait de permettre aux scientifiques d'interagir réellement avec les données.

Ce que vous pouvez faire dans le monde VR

Une fois à l'intérieur des scènes VR, les chercheurs peuvent faire des choses impossibles sur un écran plat. Ils peuvent saisir un amas de cellules, les faire pivoter pour les observer sous tous les angles, et même « faire exploser » le tissu pour séparer les cellules et voir comment elles sont connectées.

• Dans le ganglion lymphatique : Les scientifiques ont utilisé cet outil pour observer des cellules « sénescentes » (des cellules qui ont cessé de se diviser et qui vieillissent). En 2D, il est difficile de voir comment ces cellules sont disposées. Mais en VR, ils ont pu voir que ces cellules vieillissantes forment des quartiers spécifiques et interagissent avec les cellules immunitaires dans l'espace 3D, révélant des motifs qui pourraient être manqués sur une carte plate.
• Dans le cerveau : L'équipe a visualisé huit « signatures » différentes du vieillissement dans une coupe de tissu cérébral. Ils ont créé un « graphique en pics » (spike plot) 3D où des lignes montent ou descendent de chaque emplacement cellulaire, montrant la quantité de chaque marqueur de vieillissement présent. Cela les aide à voir si certains motifs de vieillissement se regroupent dans des zones spécifiques.
• Dans l'intestin : Une scène combine deux types différents d'images microscopiques pour montrer comment les cellules immunitaires (comme les cellules T CD8) touchent physiquement les nerfs de l'intestin. Une autre scène superpose différents niveaux d'organisation, montrant comment les cellules individuelles se regroupent en quartiers, qui se regroupent ensuite en communautés plus larges, aidant les chercheurs à comprendre comment le tissu est construit de bas en haut.
• Dans le foie : Ici, la vue descend au niveau subcellulaire. Les chercheurs peuvent voir les minuscules structures à l'intérieur des cellules hépatiques, comme les mitochondries et le réticulum endoplasmique, flottant en 3D à côté du canal cholédoque et des vaisseaux sanguins.

La comparaison « Powers of Ten »

L'une des scènes les plus fascinantes de l'application est une comparaison directe. Elle place une tranche de données de l'intestin grêle, une tranche de données du ganglion lymphatique, un modèle d'organe de peau humaine et un modèle du Burj Khalifa (le plus haut bâtiment du monde) dans la même pièce. Parce que l'application respecte la véritable échelle des choses, le bâtiment paraît minuscule par rapport au corps humain, et les données du ganglion lymphatique paraissent massives par rapport à la tranche de l'intestin. Cela aide les scientifiques à saisir à quel point les différences sont grandes entre ces structures biologiques.

Comment cela a été construit et ce que cela signifie

L'équipe n'a pas construit cela simplement pour le plaisir ; elle a créé un ensemble de règles standardisées (une « Procédure Opérationnelle Standard ») afin que d'autres scientifiques puissent facilement ajouter leurs propres données à l'ascenseur. Ils ont utilisé un moteur de jeu populaire appelé Unity pour construire l'application, qui est désormais gratuite pour toute personne possédant un casque VR Meta Quest.

Cependant, les auteurs prennent soin de préciser ce que cet outil n'est pas. Ils ne prétendent pas que cette application VR remplace le besoin de mathématiques traditionnelles et d'analyses informatiques. Au lieu de cela, ils suggèrent qu'elle agit comme un puissant « repéreur ». Elle aide les chercheurs à voir des motifs intéressants et à poser de meilleures questions qu'ils peuvent ensuite tester avec une mathématique rigoureuse. L'article admet que les informations présentées sont principalement illustratives et qualitatives — elles montrent ce qui est possible, mais ils n'ont pas encore mené de tests contrôlés pour prouver que l'utilisation de la VR rend les scientifiques plus rapides ou plus précis qu'avec un écran classique.

Il existe également des limites. L'application fonctionne actuellement mieux sur des casques VR spécifiques, et la création de ces scènes nécessite une équipe d'experts pour nettoyer les données et construire les modèles 3D, ce qui représente un travail considérable. Mais l'article suggère qu'à mesure que les outils deviendront plus faciles à utiliser, ce genre d'exploration immersive pourrait devenir une partie standard de la façon dont nous construisons les cartes du corps humain, transformant le monde invisible et microscopique en un lieu où l'on peut marcher et explorer de ses propres yeux.