Les scientifiques inventent des neurones artificiels qui « parlent » avec de vraies cellules cérébrales, ouvrant ainsi la voie à de meilleurs implants cérébraux

Les ingénieurs ont imprimé de minuscules neurones artificiels capables de « parler » avec les cellules cérébrales de souris, et ce développement pourrait ouvrir la voie à des innovations en informatique et en médecine.

L’ouvrage, publié le 15 avril dans la revue Nature Nanotechnologies’ajoute à un domaine en pleine croissance qui vise à construire des ordinateurs qui imitent le fonctionnement interne du cerveau.

L’espoir est que de meilleurs neurones artificiels pourraient conduire à « ordinateurs neuromorphiques« , un nouveau type d’informatique qui pourrait améliorer considérablement l’efficacité énergétique des intelligence artificielle (IA).

« Nous essayons d’imiter le cerveau aussi fidèlement que possible », a déclaré le co-auteur de l’étude. Marc Hersamprofesseur de science et d’ingénierie des matériaux à l’Université Northwestern. « Ce qui nous motive, c’est de trouver une alternative à l’informatique numérique conventionnelle pour traiter de grandes quantités de données de manière plus économe en énergie », a-t-il déclaré à Live Science.

Ces travaux pourraient également ouvrir la voie à de nouvelles interfaces cerveau-ordinateur, qui permettraient de contrôler les appareils électroniques grâce à l’activité cérébrale. Les interfaces cerveau-ordinateur peuvent être utilisées pour contrôler des membres prothétiques ou appareils d’assistance à la communicationPar exemple.

Les ordinateurs neuromorphiques étant conçus pour imiter le cerveau, ils devraient être bien adaptés pour interagir avec les tissus cérébraux. De plus, certains scientifiques ont suggéré que les neurones artificiels pourraient remplacer les cellules nerveuses endommagées ou restaurer la fonction cérébrale perdue dans les maladies dégénératives telles que la maladie d’Alzheimer.

Mettre le cerveau en bouteille dans une puce

Pour récapituler le tissu cérébral, vous ne pouvez pas utiliser de puces de silicium traditionnelles, rigides et constituées de transistors répétitifs disposés en structures bidimensionnelles. Ils ont des connexions fixes qui ne peuvent pas évoluer.

On est loin de l’infrastructure délicate du cerveau. Les cellules cérébrales sont physiquement flexibles, varient en fonction de leur emplacement et communiquent dans une matrice 3D qui évolue avec le temps. Les connexions entre les neurones peuvent deviennent plus forts s’ils sont utilisés de manière cohérenteou ils peuvent s’estomper s’ils sont sous-utilisés. Toutes ces propriétés sont nécessaires pour créer les processeurs complexes qui donnent constamment un sens au monde complexe qui nous entoure.

En raison de ces divergences entre le cerveau et la machinerie, la plupart des interfaces cerveau-ordinateur ne parviennent pas à s’intégrer parfaitement dans le cerveau ; au lieu de cela, ils s’appuient sur des impulsions relativement brutes pour communiquer avec les neurones. Fabriquer des neurones artificiels efficaces signifie trouver des matériaux qui se sentent et agissent comme des neurones, dans le sens où ils imitent les schémas de déclenchement neuronaux et ajustent ces signaux selon les besoins.

Neurones artificiels conçu avant la nouvelle étude ont tendance à utiliser soit des matériaux organiques mous, tels que des gels ou des tissus qui peuvent transmettre des signaux électriques et chimiques, soit oxydes de métaux durs. Chaque approche présente des inconvénients : alors que les motifs de pointe des matériaux souples ont tendance à être trop lents, ceux des matériaux durs ont tendance à être trop rapides, a expliqué Hersam.

Pour mieux reproduire les neurones, Hersam et son équipe ont utilisé des encres imprimables contenant de minuscules flocons de bisulfure de molybdène, un composé inorganique qui agit comme un semi-conducteur, et du graphène, un conducteur électrique. Les encres sont imprimées sur un substrat polymère flexible.

Historiquement, ces substrats ont été considérés comme un obstacle car les polymères interfèrent avec les courants électriques. Mais comme Hersam et ses collègues l’ont découvert, cela peut être une aubaine pour les neurones artificiels, car l’équipe a découvert que les polymères peuvent être manipulés pour contrôler la façon dont l’électricité circule à travers la cellule cérébrale fabriquée en laboratoire.

« L’innovation clé était cette décomposition partielle du polymère », a déclaré Hersam.

En adaptant soigneusement la façon dont le polymère chauffe et se décompose, les ingénieurs peuvent créer de minuscules filaments d’énergie. Plutôt que d’augmenter régulièrement, le courant qui traverse le neurone augmente puis retombe, permettant une libération soudaine d’énergie semblable à un pic neuronal. Cette action est appelée « résistance différentielle négative de rappel ».

Et en ajustant les paramètres de l’appareil, l’équipe a pu générer des modèles de signalisation plus complexes, notamment une série de pics espacés dans le temps ou des rafales soudaines de pics. « Nous pouvons obtenir tous les différents types de réponses de pointe qui imitent la biologie », a déclaré Hersam.

Pour le prouver, les scientifiques ont placé leurs neurones artificiels à côté de tranches de cerveau de souris dans une boîte de laboratoire. Ils ont découvert que les neurones de la souris se déclenchaient au même rythme que les neurones artificiels, ce qui suggère que le tissu pouvait décoder le signal artificiel comme s’il était né d’un tissu réel.

Neurones artificiels du futur

Timothée Leviprofesseur de bioélectronique qui travaille sur les neurones artificiels à l’Université de Bordeaux en France, a fait l’éloge du nouveau type de neurone artificiel, notant qu’il peut « s’adapter à la fréquence normale des neurones », a-t-il déclaré.

Levi, qui n’a pas participé à la recherche, a déclaré que le travail ajoute à une série de études récentes montrant que les neurones artificiels peuvent communiquer avec les neurones biologiques. Ces développements se sont accompagnés d’une série d’avancées améliorant la manière dont les neurones artificiels sont construits, dont ils se connectent les uns aux autres et dont ils sont programmés, a déclaré Levi.

Il a toutefois souligné que les neurones artificiels sont encore loin de communiquer pleinement et de manière significative avec les neurones biologiques. « Nous pouvons les contrôler pendant une courte période, mais pas encore pendant une longue période », a-t-il déclaré. Ils ne sont donc pas encore aptes à constituer des ajouts permanents au cerveau humain, par exemple.

Il reste encore beaucoup de travail à faire pour comprendre le fonctionnement du cerveau afin de pouvoir le reproduire fidèlement par un ordinateur, ont noté Levi et Hersam. De plus, les neurones artificiels ne suffisent pas : il faut les relier entre eux au niveau de synapses artificielles.

« Le problème frontalier », a déclaré Hersam, « est que nous disposons d’une série de dispositifs qui imitent différents éléments du cerveau, mais nous devons les intégrer ensemble dans des circuits qui permettent d’obtenir toutes les fonctionnalités. »

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