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New directions for deep learning in cancer research through concept explainability and virtual experimentation.

Description du projet

Des outils d’apprentissage profond pour la recherche sur le cancer en biomédecine

L’apprentissage profond (DL pour «deep learning») a révolutionné la recherche sur le cancer en extrayant des informations moléculaires à partir de données d’images. Son efficacité est toutefois limitée car il reste purement descriptif et déconnecté de la connaissance des mécanismes biologiques. Dans ce contexte, le projet NADIR, financé par le CER, se propose d’exploiter les modèles de DL pour prédire, vérifier et même découvrir de nouveaux mécanismes biologiques. Intégrant la programmation, l’analyse d’images médicales et l’ingénierie biomédicale, le projet développera des outils de DL capables d’extraire des concepts biologiques, d’élucider des mécanismes biologiques et de générer et de tester des hypothèses mécanistes. NADIR se concentre principalement sur la compréhension des interactions tumeur-immunité dans les cancers colorectaux et gastriques. Grâce à son programme d’éducation et de sensibilisation, le projet entend mettre ces outils à la disposition des chercheurs en cancérologie dans le domaine de la biomédecine.

Objectif

Deep learning (DL) is rapidly transforming cancer research and oncology. DL can extract subtle visual features from preclinical and clinical image data. In my junior research group, I have developed end-to-end DL methods to predict molecular biomarkers and clinical outcomes directly from histopathology slides. Because histopathology slides are ubiquitously available for any patient with a solid tumor, DL is a broad tool for translational studies, enabling researchers to extract molecular information and make predictions about clinical outcome.
However, the potential of DL in cancer research is fundamentally limited because it is purely descriptive and, in many cases, a black-box system. Also, DL is currently disjoint from the vast amount of biological mechanistic knowledge in cancer research, and from the world of experimentation. In NADIR, I will close this gap. My hypothesis is that DL models can not only make predictions but can be used to verify
existing biological knowledge and to make new mechanistic discoveries. The main tools that allow me to address this are concept explainability and counterfactual virtual experimentation. For both, there exists a nonmedical proof of concept, but no systematic biomedical application yet. I approach this problem as a biomedical cancer researcher with training in programming, medical image analysis, and biomedical engineering. As such, I will develop DL systems that can extract biological concepts, can elucidate biological mechanisms, and can be used to create, and answer, mechanistic hypotheses. NADIR’s tools will be synergistic with and can be used together with other biological high-throughput experimentation pipelines such as transgenic animal experiments or tumor organoid cultures. The main use case of NADIR is focused on tumor-immune interaction in colorectal and gastric cancer, and through the educational and outreach program in NADIR, it will be made available as a general tool for cancer researchers in biomedicine.

Champ scientifique (EuroSciVoc)

Mots‑clés

Programme(s)

Thème(s)

Régime de financement

HORIZON-ERC - HORIZON ERC Grants

Voir tous les projets financés dans le cadre de ce programme de financement

Appel à propositions

(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) ERC-2023-STG

Voir tous les projets financés au titre de cet appel

Institution d’accueil

TECHNISCHE UNIVERSITAET DRESDEN
Contribution nette de l'UE
€ 1 498 750,00
Adresse
HELMHOLTZSTRASSE 10
01069 Dresden
Allemagne
Région
Sachsen Dresden Dresden, Kreisfreie Stadt
Type d’activité
Higher or Secondary Education Establishments
Liens
Coût total
€ 1 498 750,00

Bénéficiaires (1)