Internship: Modeling Hair in Monte Carlo Light Propagation Simulations for Photobiomodulation Dosimetry in the Brain

Clinatec, the Edmond J. Safra Biomedical Research Center in Grenoble, is offering a 4-6 month internship focused on advancing computational models for photobiomodulation therapy in neurodegenerative diseases. The center has pioneered the use of intracranial infrared photobiomodulation for Parkinson's disease, a technique currently in clinical trials led by Grenoble University Hospital.

Photobiomodulation involves applying red or near-infrared light (λ=600-1300nm) to body tissues, a method shown to improve cell function and survival in various neurological disease models with an excellent safety profile and minimal side effects. While transcranial application holds promise for preventing neurological disorders, a key challenge remains: determining the precise light dosage that reaches brain targets due to uncertainties in how light propagates through human tissues. Given the difficulty of direct measurement in living human tissue, computer modeling is a critical alternative.

The internship project aims to extend ongoing work modeling light propagation in the human brain using Monte Carlo simulations within a tetrahedral mesh space. The intern will first familiarize themselves with existing models and simulations. The core objective is to develop a model for hair—both integrating it into the computational framework and experimentally determining its optical properties (absorption and scattering) based on characteristics like hair type, color, and density. Depending on progress, the work may expand to better integrate the entire simulation pipeline.

Required skills include knowledge of optical physics and light propagation, experience with experimental optics, proficiency in Python and/or Matlab, and foundational computer modeling/simulation skills. Background in biology/neurosciences and fluency in written and spoken English are advantageous.

The internship is based at Clinatec (17 avenue des Martyrs, Grenoble) and offers the legal minimum internship stipend. It is supervised by Tigrane Cantat-Moltrecht and Marjorie Dole. Contacts for applications are Tigrane Cantat-Moltrecht (tigrane.cantat-moltrecht@cea.fr), Marjorie Dole (marjorie.dole@cea.fr), and Malvina Billères (malvina.billeres@cea.fr).

Modélisation des cheveux dans une simulation Monte Carlo de propagation lumineuse dans le cerveau pour l’étude de la dosimétrie de la photobiomodulation

Durée : 4 à 6 mois

Encadrement : Tigrane Cantat-Moltrecht, Marjorie Dole

Lieu du stage : Clinatec (17 avenue des Martyrs, Grenoble)

Le contexte

Clinatec, le centre de recherche biomédicale Edmond J. Safra, travaille depuis plusieurs années au développement de solutions technologiques innovantes pour les maladies neurodégénératives. Les professeurs Benabid et Mitrofanis ont initié l’utilisation de la photobiomodulation infrarouge appliquée à la maladie de Parkinson, grâce à un implant intracrânien, qui fait actuellement l’objet d’un essai clinique porté par le CHU de Grenoble.

La photobiomodulation, c’est-à-dire l’application de lumière rouge ou proche infrarouge (λ=600-1300nm) sur les tissus corporels, a été utilisée pour induire de nombreux effets bénéfiques sur la fonction et la survie des cellules dans plusieurs modèles de maladies, parmi lesquelles les maladies neurologiques (Hamblin 2016 ; Mitrofanis 2019). La photobiomodulation présente un bilan de sécurité impeccable, avec peu ou pas de preuves d’effets secondaires ou de toxicité sur les cellules du corps, et les dispositifs sont faciles à utiliser et peu coûteux.

Appliquée de manière extra crânienne, la photobiomodulation pourrait également s’avérer précieuse dans la prévention d’un certain nombre de troubles neurologiques comme les maladies neurodégénératives. De nombreuses recherches sont actuellement en cours afin d’en évaluer le mécanisme d’action d’un point de vue cérébral, et d’en démontrer l’efficacité dans la lutte contre ces pathologies. Cependant la question du dosage est pour l’instant non élucidée, ce qui provient en grande partie d’une incertitude quant à la quantité exacte d’énergie parvenant à traverser les différents tissus cérébraux humains pour atteindre les cibles recherchées. La mise en oeuvre de mesures directes sur tissus humains vivants étant difficile, la modélisation par ordinateur est plus prometteuse.

Le projet

Le but de ce stage sera d’étendre les travaux déjà commencés sur la modélisation de la propagation de l a lumière au sein du cerveau humain, en utilisant des simulations de Monte Carlo dans un espace en maillage tétraédrique.

Pour ce faire, l’étudiant-e reprendra dans un premier temps les modélisations et simulations précédentes pour se les approprier. Ensuite, il s’agira d’établir une modélisation des cheveux : à la fois les représenter dans le modèle informatique et établir expérimentalement leurs propriétaés optiques d’absorption et de diffusion en fonction de leurs caractéristiques (type de cheuveux, couleur, épaisseur de la chevelure, etc). En fonction des résultats obtenus et de l’avancée du stage, le travail pourra être étendu vers une meilleure intégration de l’ensemble du processus de simulation.

Formation et connaissances requises

Connaissances en physique optique et en propagation de la lumière

Aisance avec le travail expérimental en optique

Maîtrise de langages de programmation : Python, Matlab

Bases en modélisation/simulation par ordinateur

Des connaissances en biologie / neurosciences seraient un plus

Anglais écrit et parlé

Rémunération

Tarification minimale légale, en fonction de la convention de stage

Contacts

Tigrane Cantat-Moltrecht

tigrane.cantat-moltrecht@cea.fr

Marjorie Dole

marjorie.dole@cea.fr

Malvina Billères

malvina.billeres@cea.fr

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