Un système électronique qui parle le langage du cerveau
Des chercheurs de l’Université du Massachusetts ont décrit dans la prestigieuse revue Nature Communications un système électronique capable d’imiter les signaux cérébraux, fonctionnant dans un environnement très proche de celui où opèrent les véritables cellules nerveuses.
Cette découverte pourrait transformer radicalement à la fois l’approche thérapeutique des maladies neurologiques et la conception de l’électronique inspirée du cerveau. Pour la première fois, les chercheurs ont obtenu une véritable communication bidirectionnelle entre un neurone artificiel et du tissu nerveux vivant.
Comment fonctionne le cerveau et pourquoi les neurones sont si précieux
Le cerveau est un réseau d’une densité extraordinaire : selon les données du Brain Institute, il est composé d’environ 100 milliards de neurones. Ces cellules nerveuses sont spécialisées dans la transmission de l’information et chacune est constituée de trois parties principales : le corps cellulaire, les dendrites et l’axone.
Les dendrites recueillent les signaux provenant des autres cellules. Le corps cellulaire les traite, tandis que l’axone fonctionne comme un conducteur à travers lequel l’impulsion électrique se propage vers les neurones suivants. En une fraction de seconde, des millions de ces impulsions traversent le cerveau — c’est d’elles que dépendent nos mouvements, nos sensations et nos souvenirs.
Pourquoi les neurones sont fragiles et difficiles à remplacer
Les problèmes surgissent lorsque les neurones cessent de fonctionner ou meurent. Les dommages causés au réseau nerveux peuvent avoir des conséquences graves, compromettant sérieusement la qualité de vie des patients. Contrairement à de nombreux autres types de cellules, les neurones ne se régénèrent pas facilement.
Une fois perdus, ils disparaissent presque toujours de façon définitive. C’est pourquoi la neurologie et l’ingénierie biomédicale cherchent depuis des années un moyen de les protéger ou de les remplacer. Les dommages au réseau nerveux peuvent provoquer :
- des troubles du mouvement, comme la maladie de Parkinson
- des altérations de la perception sensorielle
- de graves troubles de la mémoire, comme dans la maladie d’Alzheimer
- une perte des fonctions motrices
- une dégénérescence du tissu nerveux
- des troubles neurologiques chroniques
Toute technologie capable d’imiter le fonctionnement d’un neurone avec une telle fidélité qu’elle soit « reconnue » par le cerveau comme sienne revêt donc une importance considérable. Les chercheurs américains ont désormais proposé une solution qui rapproche cet objectif de la réalité.
Qu’est-ce que l’intégration neuromorphique
Le nouveau neurone artificiel du Massachusetts s’inscrit dans une tendance plus large appelée intégration neuromorphique. Il s’agit de concevoir des composants électroniques de manière à reproduire aussi fidèlement que possible la structure et le comportement des neurones et des synapses.
Plutôt que le traitement linéaire des données typique des processeurs classiques, les circuits neuromorphiques visent à fonctionner comme le cerveau : en parallèle, avec une consommation énergétique réduite et via de brèves impulsions. Dans les laboratoires naissent ainsi des puces spéciales, des synapses artificielles et de nouveaux types de transistors capables d’apprendre et de s’adapter.
Jusqu’à présent, nombre de ces tentatives se sont heurtées à une compatibilité biologique insuffisante. Les dispositifs fonctionnaient dans des conditions trop sèches et stériles, ou émettaient des signaux électriques trop puissants, totalement incompatibles avec la chimie délicate du cerveau. L’équipe de l’Université du Massachusetts a cependant trouvé le moyen de surmonter ces obstacles.
Discret, efficace et parfaitement à l’aise dans un environnement humide
Le neurone artificiel développé par l’Université du Massachusetts est capable de communiquer avec un neurone réel d’une manière très proche du processus naturel, tout en fonctionnant dans un environnement humide analogue à celui dans lequel vivent les cellules nerveuses.
La clé s’est révélée être les nanofibres protéiques — de minuscules conducteurs produits par des bactéries. Dans la nature, ces structures aident les bactéries à adhérer aux surfaces et à échanger des électrons. Les ingénieurs ont exploité cette propriété pour créer une structure conductrice pouvant être immergée dans une solution similaire au liquide qui entoure les neurones.
Les nanofibres protéiques agissent comme de fins conducteurs naturels, compatibles à la fois avec l’électronique et le tissu vivant. Cela est important pour deux raisons. D’abord, ce neurone artificiel peut coexister physiquement avec les cellules nerveuses sans nécessiter les conditions stériles et sèches propres à de nombreux circuits classiques.
Ensuite, il est suffisamment sensible pour fonctionner à des tensions proches de celles générées par notre cerveau. Comme l’a expliqué l’un des ingénieurs du projet, les versions précédentes ressemblaient à quelqu’un qui entre dans une salle de conférence silencieuse en criant dans un mégaphone. Le nouveau dispositif se comporte à l’inverse comme une personne qui parle à voix basse, adaptant son ton à l’environnement.
Une consommation énergétique comparable à celle du cerveau réel
Les versions précédentes de neurones artificiels nécessitaient des tensions allant jusqu’à dix fois supérieures à celles des cellules nerveuses naturelles. Cela se traduisait par une consommation d’énergie cent fois plus élevée et des signaux trop intenses que la biologie n’était pas en mesure de recevoir correctement.
Le nouveau composant fonctionne à une tension d’environ 0,1 volt — approximativement la même que celle générée par un neurone humain. Grâce à cela, le neurone artificiel ne submerge pas le système biologique, mais collabore véritablement avec lui. Pour la première fois, la voie s’ouvre à une véritable communication bidirectionnelle.
L’électronique lit les signaux du neurone et répond dans un langage qu’il comprend. En opérant à des tensions proches des niveaux biologiques, ces circuits ouvrent la voie à des dispositifs médicaux miniaturisés et à faible consommation, implantables dans le corps pour des années. Plus la tension est basse et la consommation faible, plus on se rapproche d’une électronique qui fonctionne comme un tissu, plutôt que comme un corps étranger.
Comment cette technologie peut transformer la médecine et l’électronique
La création d’un unique neurone artificiel ne signifie pas que demain existera un cortex cérébral artificiel pleinement fonctionnel. La direction est néanmoins claire : plus nous apprenons à construire les éléments individuels, plus il sera facile de les relier en réseaux plus complexes. Les chercheurs entrevoient plusieurs applications possibles.
Une nouvelle génération d’implants neurologiques pourrait être plus précise, moins invasive et mieux adaptée aux signaux cérébraux. Les neurones artificiels pourraient partiellement prendre en charge les fonctions des cellules perdues, remplaçant des zones endommagées du cerveau. Les processeurs neuromorphiques inspirés du cerveau seraient bien plus efficaces que les CPU et GPU classiques.
D’autres applications prometteuses comprennent :
- des implants neurologiques plus précis et moins invasifs
- des prothèses pour les zones cérébrales endommagées
- des processeurs neuromorphiques à faible consommation d’énergie
- une communication plus sensible avec les neurones par rapport aux électrodes métalliques actuelles
- des dispositifs médicaux miniaturisés pour une utilisation à long terme
- des outils thérapeutiques pour les patients atteints de la maladie de Parkinson
- de nouvelles possibilités de traitement de la maladie d’Alzheimer
- des interfaces cerveau-ordinateur avancées
Les prochains défis de la recherche sur les neurones artificiels
Pour l’heure, nous disposons d’un seul élément qui se comporte de manière prometteuse en laboratoire. Les défis suivants sont évidents : il faut vérifier la stabilité de ce neurone sur le long terme, sa résistance aux variations de température, aux fluctuations chimiques et sa capacité à fonctionner en réseau avec d’autres cellules.
Les chercheurs devront également déterminer comment connecter au mieux plusieurs neurones artificiels au tissu vivant. Combien en faut-il, selon quels schémas, comment contrôler leur apprentissage. L’enjeu ne concerne pas seulement l’ingénierie, mais aussi l’éthique — les questions sur les limites des interventions sur le cerveau deviendront de plus en plus fréquentes.
Si la technologie évolue vers des applications médicales, les patients atteints de la maladie de Parkinson ou de la maladie d’Alzheimer pourraient disposer d’outils thérapeutiques entièrement nouveaux. Plutôt que de se contenter d’atténuer les symptômes, les médecins auraient la possibilité de restaurer partiellement les fonctions des neurones perdus.
Opportunités et risques à prendre en compte dès aujourd’hui
Les interfaces reliant le cerveau à l’électronique ont toujours suscité une tension entre fascination et inquiétude. D’un côté, elles séduisent par la vision du rétablissement des fonctions perdues ; de l’autre, elles imposent une réflexion sur les limites de la modification de l’être humain et sur qui gérera des données aussi sensibles que l’activité neuronale.
Il convient de rappeler que les neurones ne sont pas de simples câbles transmettant des impulsions. Chaque cellule possède sa propre chimie, son propre métabolisme et réagit aux hormones et aux substances présentes dans son environnement. Un neurone artificiel — même très avancé — n’imite pour l’instant que le niveau électrique.
Il sera donc longtemps davantage un soutien et une prothèse qu’un véritable substitut du tissu vivant. Pour ceux qui suivent le développement de l’intelligence artificielle, ce sujet peut sembler lointain, mais il existe un lien intéressant. Le machine learning et les réseaux de neurones dans les ordinateurs ne s’inspirent de la biologie qu’à un niveau symbolique.
L’intégration neuromorphique cherche au contraire à se rapprocher du cerveau réel au niveau matériel. Si ces deux axes de recherche venaient à converger, nous pourrions assister à l’émergence de dispositifs intelligents d’un type entièrement nouveau — non seulement rapides et puissants, mais aussi plus proches du fonctionnement de notre système nerveux. Il ne s’agit pas seulement de performances, mais de compatibilité avec la biologie humaine.
