Les scientifiques entraînent des cerveaux cultivés en laboratoire, qui commencent désormais à résoudre des problèmes

Un amas de neurones qui apprend tout seul

Imaginez un amas de cellules cérébrales, pas plus gros qu’un grain de poivre, cultivé en laboratoire. Maintenant, imaginez que ce mini-cerveau apprenne à résoudre un problème d’ingénierie. Ce n’est pas de la science-fiction. C’est le résultat d’une nouvelle étude menée par une équipe de scientifiques de l’Université de Californie (UC) à Santa Cruz et publiée dans la revue Cell Reports.

Les chercheurs ont réussi à entraîner un organoïde cérébral, développé à partir de cellules souches de souris, à maîtriser une tâche de référence connue sous le nom de « problème du chariot-pendule ». Parce que ces organoïdes sont dépourvus de corps, de tout sens des objectifs biologiques ou d’expérience sensorielle, ce comportement d’apprentissage suggère quelque chose de fondamental. Comme l’a commenté un biologiste non affilié à l’étude, ce travail montre que « la capacité de calcul adaptatif est intrinsèque au tissu cortical lui-même, indépendamment de tout l’échafaudage que nous supposons habituellement nécessaire ».

Plus d’un siècle de recherche sur les organes de synthèse

Bien que la création d’organes puisse sembler futuriste, l’idée est explorée par les scientifiques depuis plus d’un siècle. Dès 1907, le biologiste américain Henry Van Peters Wilson a démontré les principes fondateurs des organes cultivés en laboratoire, ou « organoïdes ». Il a montré comment des cellules dissociées d’une éponge de mer pouvaient s’auto-organiser et se régénérer in vitro.

Pendant des décennies, cette exploration s’est poursuivie sur divers animaux. Une étape clé a été franchie en 2009, lorsque des scientifiques ont créé le tout premier organoïde en 3D en utilisant les cellules souches intestinales d’une souris. Au cours des années qui ont suivi, les organoïdes sont devenus de plus en plus complexes, offrant de nouvelles voies pour étudier le fonctionnement des cellules, des tissus et des organes. Ils constituent également une plateforme moins chère et plus éthique pour développer des thérapies potentielles, notamment dans l’étude sans fin du cerveau, notre organe le plus complexe.

L’expérience du chariot-pendule : comment ça marche ?

L’organoïde cérébral utilisé dans l’étude, bien que minuscule, est chargé de plusieurs millions de neurones. Il a été fixé sur une puce spéciale permettant aux scientifiques d’observer et de contrôler le déclenchement de certains neurones. Grâce à un système d’électrophysiologie, les chercheurs ont pu envoyer et recevoir des informations des neurones par stimulation électrique. Pour tester ce dispositif, ils se sont appuyés sur le classique « problème du chariot-pendule ».

Cette tâche d’équilibrage est similaire au défi de maintenir une règle à la verticale sur sa main tout en s’ajustant au mouvement et à la gravité. L’objectif était d’apprendre à l’organoïde à équilibrer le pendule simulé par ordinateur. « Nous essayons de comprendre les principes fondamentaux de la manière dont les neurones peuvent être réglés de manière adaptative pour résoudre des problèmes », a déclaré Ash Robbins, étudiant en doctorat à l’UC Santa Cruz et auteur principal de l’étude. « Si nous pouvons comprendre ce qui motive cela dans une boîte de Pétri, cela nous donne de nouvelles façons d’étudier comment les maladies neurologiques peuvent affecter la capacité du cerveau à apprendre ».

Un « coach artificiel » pour des résultats spectaculaires

Pour « enseigner » à l’organoïde, les chercheurs ont utilisé des signaux électriques faibles ou forts. Si l’organoïde ne parvenait pas à équilibrer le pendule plus longtemps que la durée moyenne, il recevait un « apprentissage par renforcement » via un algorithme d’IA qui sélectionnait les neurones à entraîner. « On pourrait le voir comme un coach artificiel qui dit : ‘tu fais mal, ajuste un peu de cette façon' », explique Ash Robbins dans un communiqué de presse. « Nous apprenons comment lui donner au mieux ces signaux de coaching ».

Les résultats sont frappants. Un entraînement aléatoire n’a atteint qu’un taux de réussite de 4,5 %. En revanche, l’entraînement adaptatif a considérablement amélioré ce taux, le portant à plus de 46 %. Cependant, cet apprentissage s’est avéré éphémère. Après un repos de plus de 45 minutes, la compétence acquise avait presque entièrement disparu. La raison ? L’organoïde ne possède pas les multiples régions cérébrales d’un humain ou d’une souris, nécessaires pour conserver un apprentissage à long terme.

Objectifs médicaux et questions éthiques en suspens

Ce n’est pas la première fois que des cerveaux de laboratoire sont entraînés. En 2022, des scientifiques avaient appris à un cerveau synthétique à jouer à Pong. Plus récemment, d’autres chercheurs ont développé des plateformes neuromorphiques utilisant des cellules cérébrales humaines. Pour l’équipe de l’UC Santa Cruz, l’objectif est clair : développer une plateforme d’organoïdes cérébraux qui puisse aider les scientifiques à traiter les troubles neurologiques.

Mais à mesure que la recherche progresse, surtout lorsque des cellules souches d’origine humaine sont impliquées, une question éthique tout aussi importante se pose : à quel point ces organoïdes sont-ils vivants ? David Haussler, co-auteur de l’étude, tient à clarifier leur position. « Nous voulons qu’il soit clair que notre objectif est de faire progresser la recherche sur le cerveau et le traitement des maladies neurologiques, pas de remplacer les contrôleurs robotiques et d’autres types d’ordinateurs par des tissus cérébraux animaux cultivés en laboratoire », a-t-il affirmé. « Ce dernier point pourrait être considéré comme cool, mais soulèverait de graves problèmes éthiques, en particulier si des organoïdes cérébraux humains étaient utilisés ».

Selon la source : popularmechanics.com