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Comment construit-on un modèle à partir de données ?

Quelle est la différence entre un explorateur qui cherche à cartographier le territoire et un biologiste qui souhaite cartographier des molécules ?

Autant de questions posées dans cette petite vidéo à destination des jeunes, pour expliquer l’intérêt des travaux des chercheurs Inria. Ils doivent trouver les mécanismes d’apprentissage  les plus efficaces possibles pour simuler des phénomènes toujours plus complexes.

© Inria Paris, durée : 3 mn 11, date de production : 2015, source: InriaChannel / Centre Paris-Rocquencourt, avec sydo.fr et Aurélie Darnaud, Bérénice Frager et Hélène Robak.

Pour aller plus loin avec Interstices: La simulation par ordinateur change-t-elle les sciences ?, Vers la cellule virtuelle, Modéliser la propagation d’une épidémie.

Pour en savoir plus sur les travaux des chercheurs :  Tony Lelièvre (équipe Matherials) et Simon Lacoste-Julien (équipe Sierra).

Texte de la vidéo:

Axel est explorateur : il souhaite cartographier le territoire qu’il vient de découvrir. Pour cela, il se promène sur le territoire avec un GPS qui enregistre sa longitude, sa latitude et son altitude toutes les 10 minutes. Une fois tout le territoire parcouru, Axel dispose donc de données mesurées qu’il va entrer dans son ordinateur.

L’ordinateur traite ensuite toutes ces données pour créer un modèle du territoire, c’est-à-dire la carte. Comme le GPS d’Axel prend ses mesures toutes les 10 minutes, l’ordinateur prédit la position de l’explorateur entre les points mesurés. Mais attention, les données mesurées par le GPS, très nombreuses, peuvent être imprécises. Ainsi, si l’ordinateur essaie de passer par tous les points mesurés, la carte peut être très complexe, et pas forcément toujours juste : c’est ce qu’on appelle le surapprentissage.

Ainsi, pour réaliser la carte du territoire, l’ordinateur doit trouver le modèle le plus simple possible tout en restant fidèle au territoire réel.
Comme l’explorateur qui cartographie le territoire, les biologistes cartographient des molécules, telles que l’hémoglobine, dont le rôle est de transporter l’oxygène dans le sang. Sa capacité à transporter l’oxygène, c’est-à-dire son énergie, dépend de la forme qu’elle a. En effet, avec une certaine forme, elle pourra transporter de nombreux atomes d’oxygène, alors qu’avec une autre forme, elle en portera nettement moins.

Ainsi, les biologistes cherchent à créer un modèle qui donne l’énergie de la molécule d’hémoglobine en fonction de sa forme. Pour cela, ils réalisent des mesures sur une molécule d’hémoglobine, et entrent les données mesurées dans un ordinateur. Là encore, l’ordinateur va chercher un modèle simple qui décrit au mieux l’énergie de la molécule d’hémoglobine.
Une fois terminé, ce modèle permet de prédire le fonctionnement de la molécule d’hémoglobine en fonction d’autres paramètres, comme l’évolution de la température du corps qui influence la forme de l’hémoglobine : c’est la simulation numérique. La simulation numérique est très utilisée dans les laboratoires pharmaceutiques : grâce au modèle de l’énergie de l’hémoglobine, ils peuvent tester par ordinateur de nouveaux
médicaments, par exemple pour augmenter la capacité d’une molécule à transporter l’oxygène.

La simulation numérique est moins coûteuse que des tests réels en laboratoire, et permet de limiter les tests sur les personnes ou les animaux.
Avec l’avancée de la science, les chercheurs Inria doivent trouver les modèles les plus simples possibles pour modéliser des phénomènes toujours plus complexes.

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