Développement d’un vidéo microscope holographique 3D associée à des réseaux de neurones convolutifs (CNN) pour l’identification de nouveaux marqueurs de la santé embryonnaire préimplantatoire – LIVE3D_CNN

L'objectif de ce projet est de développer un microscope 3D novateur permettant de suivre le développement d'embryons préimplantatoires directement dans un incubateur. Notre appareil mesurera des paramètres physiologiques originaux pour identifier de nouveaux marqueurs de la santé embryonnaire afin d’identifier les embryons ayant les chances d'implantation et de développement les plus élevées.
L'imagerie d'embryons humains préimplantatoires est réalisée en routine dans des dizaines de milliers de laboratoires de fécondation in vitro (FIV) dans le monde pour des millions de couples infertiles. Au cours du processus de FIV, de nombreux embryons s'arrêtent au cours des divisions initiales ou après l'implantation et l'un des principaux défis de la FIV est de sélectionner et de transférer les embryons qui ont le potentiel de développement et d'implantation le plus élevé, afin de maximiser les chances d'une grossesse. Actuellement ce choix se fait en grande partie par inspection visuelle prenant en compte principalement l'aspect morphologique des embryons. Des embryoscopes, microscopes time-lapse intégrés dans un incubateur, sont disponibles depuis peu, permettant de suivre la cinétique du développement embryonnaire et apportant des critères supplémentaires pour identifier les «meilleurs» embryons. Leur utilisation n'a cependant pas amélioré significativement les taux de grossesse et aucun critère précis ne permet d'identifier les meilleurs embryons.
Nous pensons que l'utilisation de la microscopie holographique avec reconstruction 3D pilotée par un puissant réseau de neurones physiques permettra d'identifier de nouveaux marqueurs de la santé embryonnaire qui ne peuvent être vus par les technologies disponibles actuellement. La première phase de Live3D-CNN sera centrée sur le développement d'un microscope de phase 3D équipé de réseaux de neurones convolutifs. Notre microscope 3D sera compact, facile à utiliser et fonctionnera directement dans un incubateur. Nos algorithmes reposent sur une méthode de reconstruction 3D pionnière, utilisant un réseau de neurones physique codant directement les lois physiques de la propagation de la lumière en termes de distribution de l'indice de réfraction et de propagation de la lumière. La deuxième partie du projet portera sur la quantification de mesures de masse sèche en 3D de différentes structures embryonnaires au moyen de réseaux de neurones. Notre microscope sera le premier système à quantifier la masse sèche des globules polaires et des noyaux cellulaires, et à compter des cellules jusqu'au stade blastocyste. Ces mesures seront également corrélées à la morphologie cellulaire, la forme nucléaire, les modalités de division cellulaire et le mouvement des particules intracellulaires 2D. Notre prototype sera testé sur des embryons de souris dans des conditions saines et malades afin de constituer une base de données solide pour la classification des embryons. Des tests génétiques seront réalisés pour corréler les mesures des nouveaux marqueurs au contenu chromosomique des embryons. Les résultats de ces analyses alimenteront un réseau neuronal pour prédire le devenir de l’embryon et guider les décisions concernant l’utilisation des embryons.
Le projet est porté par un consortium multidisciplinaire aux compétences complémentaires regroupant des ingénieurs et des experts en instrumentation optique et intelligence artificielle (IA) du CEA-Leti et des spécialistes de l'infertilité et du développement embryonnaire de l'équipe GETI-IAB permettant de réunir toutes les compétences requises pour mener à bien ce projet. Grâce à une collaboration active de 3 ans les deux équipes ont obtenus des données préliminaires excitantes donnant toute confiance dans le succès de ce projet original qui devrait avoir des répercussions importantes et indépendantes dans les deux disciplines concernées.