L'interprétation des signaux biomédicaux et la modélisation électrophysiologique

Dans son travail de recherche, Olivier Meste aborde des problèmes réels posés par la médecine ou la physiologie concernant l'interprétation des signaux biomédicaux et la modélisation électrophysiologique. Il s'intéresse plus particulièrement aux signaux reflétant l'activité cardiaque.

Le domaine du biomédical est riche en données qui permettent la compréhension du vivant, révélant sa complexité, sa diversité et son adaptation. Les sciences des données participent à cette compréhension en dévoilant ce qui n'est pas directement ou complètement observable. L'analyse du fonctionnement d'un cœur à partir d'enregistrements simplement acquis sur la surface du torse est un bon exemple. L’enjeu est de développer des outils de traitement, d’analyse et de modélisation suffisamment généraux et robustes pour relier signaux, mécanismes physiologiques et conditions expérimentales complexes, du repos à l’effort et du normal au pathologique, en faisant l'hypothèse d'un continuum entre ces conditions. Un défi supplémentaire est d'apporter par ces outils de nouvelles connaissances biomédicales pertinentes et répondant à un besoin réel.

Au cours de sa carrière, Olivier Meste a travaillé sur ces problématiques. Par exemple sur l’écoute du cœur, où son rythme sans cesse modulé par le système nerveux autonome reflète un dialogue continu entre cellules, organes et environnement. Pour mieux comprendre ce langage, le chercheur a développé des méthodes originales d’analyse de forme des signaux mais aussi d’analyse temporelle, fréquentielle, temps-fréquence du signal (mono et multidimensionnel), de décomposition matricielle/adaptative, de modélisation et les a appliquées à toutes les échelles d’observation : de la cellule isolée à l’animal vigile, du repos à l’effort, en considérant par ailleurs le fonctionnement physiologique et bien sur les pathologies métaboliques ou liées à l’âge.

Olivier Meste a aussi participé à l’analyse des signaux acquis lors d’exercices physiques de sujets sains, encadrés par le Laboratoire motricité humaine expertise sport santé (LAMHESS - Université Côte d’Azur). Dans ces études, il a conçu des outils temps–fréquence permettant de quantifier la contribution de la respiration sur la variabilité cardiaque (arythmie sinusale respiratoire), ainsi que l’effet de la fréquence de pédalage, qui introduit une modulation mécanique supplémentaire. Ces travaux ont montré que la persistance de cette arythmie à haute intensité tient non seulement à la commande nerveuse, mais aussi à un étirement mécanique du nœud sinusal (qui impose le rythme cardiaque) causé par la variation du volume sanguin. Le mouvement cyclique des membres inférieurs crée lui-même une composante rythmique dont l’amplitude croît avec l’effort, ce qui est confirmé par un modèle mathématique.

Olivier Meste, avec son équipe, a cherché à mieux comprendre pourquoi le cœur accélère, décélère et se régule, aussi bien chez le sportif que dans certaines maladies. Les outils développés ont permis de montrer pourquoi chez les athlètes, le cœur revient beaucoup plus vite à un rythme normal après l’effort, signe d’un système de régulation plus efficace et adapté. Lorsqu’un cœur accélère de façon anormale, cela peut être signe d'une pathologie. Les arythmies auriculaires rapides peuvent être organisées et régulières, comme dans le flutter ou certaines tachycardies auriculaires ou désorganisées, comme dans la fibrillation auriculaire. En analysant finement les signaux électriques du cœur, il a montré que la forme et la répartition spatiale de ces signaux associés à ces pathologies permettent de prévoir l’efficacité de certains traitements et de distinguer les formes simples des formes plus complexes de ces troubles.

En partenariat avec l’équipe de Marcello Rota (Harvard Medical School puis New York Medical College), ses travaux se sont aussi intéressés au fonctionnement intime des cellules cardiaques des modèles animaux. En changeant le regard porté sur leur activité électrique, il a pu mettre en évidence des signes précoces de vieillissement ou de maladie liées au diabète. À l’échelle de l’organisme entier, l’étude détaillée des variations du rythme cardiaque a permis de savoir si le cœur est capable non seulement d’accélérer, mais aussi de ralentir ; une capacité essentielle altérée par le diabète ou le syndrome métabolique qui apparaît lorsque l’organisme est durablement dépassé par un excès d’apports énergétiques et un manque de régulation, souvent liés au mode de vie moderne.

À travers ces travaux, une nouvelle manière d’« écouter » le cœur se dessine : intégrer ses multiples échelles et sa variabilité pour mieux comprendre ses dérèglements, anticiper ses défaillances et, peut-être un jour, lire dans ses battements bien plus que ce que nous savons aujourd’hui.

Cette collaboration entre Olivier Meste et Marcello Rota, ainsi que la qualité scientifique et la continuité de ces recherches ont été reconnues par l’attribution de l’AHA (American Heart Association) International Visiting Professorship Award, qui permettra à Olivier Meste d’effectuer un séjour scientifique à New York afin de renforcer et d’amplifier cette collaboration.