Outils d'analyse d'images et recalage d'individus pour l'étude de la morphogenèse animale et ...

194 Pages·2017·9.22 MB·French

by  Gaël Michelin

Outils d’analyse d’images et recalage d’individus pour
l’étude de la morphogenèse animale et végétale
Gaël Michelin
To cite this version:
Gaël Michelin. Outils d’analyse d’images et recalage d’individus pour l’étude de la morphogenèse
animale et végétale. Autre. Université Côte d’Azur, 2016. Français. ￿NNT: 2016AZUR4088￿. ￿tel-
01451608￿
HAL Id: tel-01451608
https://theses.hal.science/tel-01451608
Submitted on 1 Feb 2017
HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents
entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de
teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires
abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
UNIVERSITÉ CÔTE D’AZUR
ÉCOLE DOCTORALE STIC
SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE L’INFORMATION
ET DE LA COMMUNICATION
T H È S E
pour obtenir le titre de
Docteur en Sciences
de l’Université Côte d’Azur
Mention : Automatique et Traitement du Signal
Présentée et soutenue par
Gaël Michelin
Outils d’analyse d’images et
recalage d’individus pour l’étude
de la morphogenèse animale et
végétale
Thèse dirigée par Grégoire Malandain
préparée à Inria Sophia Antipolis, Projet Morpheme
soutenue le 28 octobre 2016
Jury :
Président : Jan Traas - ENS Lyon
Rapporteurs : Philippe Andrey - Inra
Patrick Bouthemy - Inria Rennes
Directeur : Grégoire Malandain - Inria Sophia Antipolis
Examinateurs : Christophe Godin - Inria Montpellier
Alain Trubuil - Inra
Invité : Patrick Lemaire - CNRS

Remerciements
J’adresse mes premiers remerciements à Grégoire Malandain. Merci pour la con-
fiance que tu m’as accordée au cours de ces trois années. Trois ans, que le temps
passe... Encore un peu de patience, d’ici peu tu auras dépassé l’âge de mes parents
(sic)! Et qui sait, lorsque ce sera le cas, tu auras peut-être une grosse moto...
Parmi les personnes avec qui j’ai eu le plaisir et la chance de collaborer au
cours de ces années, je remercie très chaleureusement Christophe Godin. J’ai été
constammentimpressionnépartonimplication,toujourspertinenteetenrichissante,
dans mon travail, mais aussi sur tous les autres fronts du projet Morphogenetics.
Je remercie également Jan Traas, qui a toujours su créer une ambiance de travail
très dynamique et stimulante au sein du projet Morphogenetics. Enfin, je remercie
PatrickLemaire,nonseulementautitredenotrecollaborationpasséeetàvenir,mais
aussi au titre de son engagement précieux dans la lutte pour protéger la recherche
scientifique en France. Merci à vous trois pour votre amitié.
Jetiensàremercierlesmembresrestantsdemonjurydethèse,PhilippeAndrey,
PatrickBouthemyetAlainTrubuil.Mercipourvotreeffortderelecture,vosconseils,
votre écoute et même parfois vos encouragement fort appréciables en particulier à
l’approche de l’échance «finale».
Bien sûr, je remercie également l’ensemble des collègues chercheurs, ingénieurs,
stagiaires, doctorants avec lesquels j’ai été amené à travailler, avec une attention
toute particulière pour Léo Guignard et Yassin Refahi. Je n’oublie cependant pas
les échanges que j’ai pu avoir avec Ulla-Maj Fiuza, Emmanuel Faure, Pradeep Daz,
Annamaria Kiss, Henrik Jönsson, Raymond Wightman, ainsi que l’ensemble des
membres de l’équipe Virtual Plants qui a toujours bien su m’accueillir lors de mes
passages à Montpellier.
Mon expérience au sein de l’équipe Morpheme fût en tous points formidable,
qu’il s’agisse des expéditions lointaines en conférence ou des fameux « Morpheme
Ski Days » en passant par les pique-niques d’équipe, les repas, les discussions très
ii
intellectuelles, les activités bricolage, les parties de pétanque et diverses expérimen-
tations «pour la science» dont je fus parfois le malheureux cobaye (voir figure 1).
Jeremercieenpremierlieul’artisan,lepilierdecetteéquipe,Xavier.Jeremercie
également les valeureux Grégoire, Laure et Eric côté Sophipolitain, ainsi que Car-
oline (pas toi Maman, une autre) et Florence aux ailes (Valrose). Merci également
au staff de l’équipe, recomposé en cours de route mais toujours au top : Frédéric,
Janette, Micheline, Nadia et Christine. Bien sûr, je pense aussi aux courageux «an-
ciens » de l’équipe : Nektaria, Anirudh, Mériadec, Huei-Fang, Alejandro, Rita, Si-
mone, Simon, Raphaël, Nicoco, la Chinese team (Yaqun, Sen, Wei), Tarun, Marine
Ma Divine et Manon :3. Je pense également aux amateurs de troisième mi-temps :
Djampa, Agus (rrrRRRrrr), Lolita, Emma, Anca. Enfin, je pense à mes deux co-
équipiersdeluxeAlexis/ALPHAetManu/PICA.Puissentlesvaleursprofondément
rugbystiques instaurées dans l’équipe Morpheme perdurer.
Merci aussi à l’équipe des grimpeurs/joueurs : Marine (cumul d’activités avec
Morpheme), Ludo, Mélaine.
Enfin, on n’a pas la même équipe, mais on a les mêmes valeurs : Ophélie, Ben-
jamin, Emilien, Jonathan, mais aussi Cédric (auf Wiedersehen), Froso (shame on
you) et Yasmine.
Je pense aussi à l’équipe Vortex de l’IRIT à Toulouse, qu’il s’agisse de Vincent,
de Jean-Denis, de Sylvie, ou encore de Géraldine. C’est à travers votre équipe que
j’ai découvert le «monde» académique, vous m’avez beaucoup apporté lors de ma
formation et je vous en suis aujourd’hui très reconnaissant.
Audelàdemonenvironnementdetravail,jeremerciel’ensembledemesproches,
parmi lesquels l’équipe des baroudeurs avec qui j’ai eu l’opportunité de découvrir
de magnifiques régions d’Europe et d’Amérique du Sud durant mes années de doc-
toratenattendantdenouvellesdestinations:Clémence,Roland,Mathieu,Stéphane,
Lesley, Nico, Sébastien, Laurence. Merci également à Yuravin et Vincent pour votre
venue à ma soutenance. Enfin, un simple mot adressé à Yoann : wololo!
Je clos cette liste de remerciements avec une pensée très affectueuse pour ma
famille, qui m’a toujours soutenu et que je chéris par dessus tout. Merci à mes
parents, à mon frère Nicolas, ma sœur Fanny, mes oncles et tantes, mes grand-mères
Mémé et Mamie Dédée que j’embrasse très fort. Le mot de la fin sera pour mes
cousins. À Vincent, Martin, Dimitri, Benjamin : merci beaucoup.
iii
Figure 1 – Poison.

Résumé
En biologie développementale, l’étude d’organismes modèles vise à comprendre
lesmécanismesgénétiquesresponsablesdelamorphogenèsechezlevivant.Lamicro-
scopieconfocaleàfluorescencepermetaujourd’huid’observerin vivo àl’échelledela
cellule et avec une haute fréquence temporelle le développement d’organismes. Les
séquences d’images 3D+t ainsi obtenues nécessitent d’avoir des outils de traitement
d’images adaptés.
Danscettethèse,nousconstruisonsdesoutilsdédiésàl’étudedudéveloppement
de deux organismes, l’embryon de l’ascidie Phallusia mammillata et le bouton floral
d’Arabidopsis thaliana.
Nous développons d’abord une méthode de comparaison de segmentations adap-
tée aux images de tissus épithéliaux d’organismes en développement. Nous nous
appuyons sur cet outil pour valider notre seconde contribution qui porte sur la
mise en place d’un outil de détection et de reconstruction de membranes cellulaires
conçu afin de procéder à la segmentation de cellules dans les images d’ascidies et
d’arabidopsis.
Nous utilisons ensuite l’outil de segmentation de membranes précédemment in-
troduit pour construire une stratégie de recalage spatial inter-individus appliquée
aux embryons d’ascidies. Enfin, nous élaborons une stratégie de recalage spatio-
temporel inter-individus appliquée à des séquences d’images 3D de méristèmes flo-
raux.
Les outils développés ouvrent la perspective de construire des modèles digitaux
d’organismes en développement sur lesquels des populations d’individus peuvent
être projetées et ainsi de conduire des études comparatives quantifiées sur ces
populations.
Mots clés : Biologie développementale, microscopie à fluorescence, segmen-
tation, recalage, ascidie, arabidopsis

Abstract
Indevelopmentalbiology,thestudyofmodelorganismsaimsfortheunderstand-
ing of genetic mechanisms responsible of morphogenesis. Today, fluorescent confocal
microscopy is a means for in vivo imaging of developing organisms at cell level with
a high spatio-temporal resolution. To handle such 3D+t image sequences, adapted
computer-assisted methods are highly desirable.
Inthisthesis,webuilddedicatedtoolsforthestudyoftwodevelopingorganisms,
the ascidian Phallusia mammillata’s embryo and the Arabidopsis thaliana’s floral
meristem.
We first develop a method for segmentation comparison adapted to develop-
ing organism epithelial tissue images. This tool is then used to validate our second
contributionthatisaboutthedevelopmentofacellmembranesdetectionandrecon-
structiontoolforcellshapesegmentationprocessappliedtoascidianandarabidopsis
images.
Wethenusethepreviouslyintroducedmembranedetectiontooltobuildaninter-
individual spatial registration strategy applied to ascidian embryo images. Finally,
we develop an inter-individual spatio-temporal registration strategy applied to 3D
image sequences of arabidopsis floral meristems.
The developped tools offers the means to build 4D digital templates of develop-
ing organisms on which every individual can be projected, opening the avenue to
the statistical analysis of populations.
Keywords : Developmental biology, fluorescence microscopy, segmentation,
registration, ascidian, arabidopsis