Population and individual-based model coupling for the parallel simulation of biological systems. Application to blood coagulation.
Couplage de modèles population et individu-centrés pour la simulation parallélisée des systèmes biologiques. Application à la coagulation du sang.
Résumé
Several types of experimentation exist to study and understand biological systems. In this document, we take an interest in in silico simulation, i.e. numerical simulation of models on a computer. Biological systems are made of many various entities, interacting with each other. Therefore, they can be modeled by two complementary approaches: the population-based approach and the individual-based one. Because of the multitude and diversity of the phenomena constituting biological systems, we find the coupling of these two approaches relevant to provide a hybrid modelisation. Moreover, because of the huge quantity of data that the entities and interactions represent, numerical simulation of biological systems is especially computationaly intensive. This is why, in this document, we propose parallel computing methods to take advantage of the performances offered by multicore and multiprocessor architectures and by graphical ones for the simulation of biological systems using hybrid modelisations. We apply our work to blood coagulation and especially to the study of biochemical kinetics at the microscopic scale and the simulation of a virtual blood vessel. These two applications enable us to assess both the performances obtained by the parallel computing methods we proposed and their relevance for biological systems simulation.
Plusieurs types d'expérimentation existent pour étudier et comprendre les systèmes biologiques. Dans ces travaux, nous nous intéressons à la simulation in silico, c'est-à-dire à la simulation numérique de modèles sur un ordinateur. Les systèmes biologiques sont composés d'entités, à la fois nombreuses et variées, en interaction les unes avec les autres. Ainsi, ils peuvent être modélisés par l'intermédiaire de deux approches complémentaires : l'approche population-centrée et l'approche individu-centrée. Face à la multitude et à la variété des phénomènes composant les systèmes biologiques, il nous semble pertinent de coupler ces deux approches pour obtenir une modélisation mixte. En outre, en raison de la quantité conséquente d'informations que représente l'ensemble des entités et des interactions à modéliser, la simulation numérique des systèmes biologiques est particulièrement coûteuse en temps de calcul informatique. Ainsi, dans ce mémoire, nous proposons des solutions techniques de parallélisation permettant d'exploiter au mieux les performances offertes par les architectures multicoeur et multiprocesseur et les architectures graphiques pour la simulation de systèmes biologiques à base de modélisations mixtes. Nous appliquons nos travaux au domaine de la coagulation du sang et plus particulièrement à l'étude de la cinétique biochimique à l'échelle microscopique ainsi qu'à la simulation d'un vaisseau sanguin virtuel. Ces deux applications nous permettent d'évaluer les performances offertes par les solutions techniques de parallélisation que nous proposons, ainsi que leur pertinence dans le cadre de la simulation des systèmes biologiques.