Des scientifiques créent des cerveaux artificiels à partir de cellules vivantes

Le défi énergétique des intelligences artificielles

Les ordinateurs sont souvent comparés à des cerveaux artificiels. Pourtant, ils demeurent très éloignés de la complexité et de l’efficacité énergétique remarquable de l’esprit humain. La journaliste Elizabeth Rayne souligne que les réseaux de neurones de l’intelligence artificielle nécessitent environ un million de fois plus d’énergie pour fonctionner que nos propres cerveaux.

Cette consommation massive d’électricité ne cesse de croître au rythme d’une intelligence numérisée qui se transforme et progresse sans fin. La question se pose alors de savoir comment notre approvisionnement énergétique pourra suivre cette cadence infernale. Une solution prometteuse émerge des laboratoires : la fusion de cellules cérébrales vivantes avec un système électronique programmable afin de réduire drastiquement la consommation électrique.

Les limites des premières cultures neuronales

Les tentatives précédentes d’utiliser de véritables neurones comme centre de traitement d’un ordinateur se sont heurtées à des obstacles majeurs. Les chercheurs ont d’abord travaillé avec des cultures neuronales en deux dimensions. Dans ces modèles, les neurones aplatis présentaient des interactions et une expression génétique anormales. Ces structures 2D se révélaient incapables de survivre longtemps et ne parvenaient pas à reproduire l’activité ni les connexions observées in vivo.

Pour contourner ces problèmes, des réseaux neuronaux in vitro plus avancés ont tenté de copier la structure et la fonction du cerveau en s’appuyant sur des organoïdes. Il s’agit d’amas de cellules souches manipulées pour se transformer en neurones. Malgré quelques améliorations notables, cette approche utilisant des organoïdes cérébraux reste irrégulière, ces amas étant particulièrement sujets à l’hypoxie et à la nécrose.

L’avènement des réseaux neuronaux biologiques en 3D

Face à ces échecs, la création de réseaux neuronaux alternatifs en trois dimensions, appelés réseaux neuronaux biologiques (BNN), s’impose comme une option viable. Un tel système idéal prendrait la forme d’un modèle in vitro capable de reconstruire les réseaux du cerveau, de se reproduire et de durer dans le temps. Il doit intégrer des connexions neuronales à la fois denses et clairsemées, à l’image de ce que l’on observe dans l’hippocampe, pour éviter qu’une quantité trop importante de données ne circule simultanément.

Afin de concrétiser cette fusion entre la biologie et la machine, une équipe de l’Université de Princeton composée des chercheurs Tian-Ming Fu, James Sturm et Kumar Mritunjay a développé une solution innovante. Ils ont utilisé des électrodes et des fils métalliques microscopiques pour créer un échafaudage tridimensionnel en maille de polymère. Cette structure est suffisamment flexible pour permettre à des dizaines de milliers de neurones vivants de se développer en un réseau capable de fonctionner avec une énergie minimale.

La conception minutieuse du dispositif 3D-MIND

Les chercheurs Fu, Sturm et Mritunjay ont initié cette expérience pour répondre à des questions persistantes sur le fonctionnement du cerveau, avant de réaliser le potentiel de leur invention en tant que réseau neuronal biologique. C’est ainsi qu’est né le 3D-MIND (3D Micro-Instrumented Neural network Device). S’inspirant de l’art de l’origami, l’équipe a d’abord créé le dispositif en deux dimensions. Ils y ont intégré avec précision suffisamment de capteurs électroniques pour correspondre au soma d’un neurone, avant de plier l’ensemble en couches tridimensionnelles. Bien que l’expérience n’implique pas encore de cellules humaines, des neurones de rat issus de l’hippocampe, une région essentielle à l’apprentissage et à la mémoire, ont été extraits et mis en culture sur l’échafaudage.

Une fois l’intégration des cellules achevée, l’ensemble du dispositif a été recouvert d’un fin revêtement en gel. À la fois protecteur et fonctionnel, ce gel contient des protéines offrant un soutien supplémentaire aux neurones pour former des connexions solides avec les cellules gliales. Ces cellules sont indispensables : elles maintiennent les structures neuronales, fournissent des nutriments, assurent des fonctions immunitaires, régulent la chimie de l’environnement, maintiennent l’espace dégagé pour la signalisation et produisent la myéline, cette isolation graisseuse vitale pour les axones.

Des résultats tangibles ouvrant la voie à une nouvelle informatique

Avec le temps, les scientifiques ont pu observer les neurones se positionner d’eux-mêmes et former des connexions en trois dimensions à travers la structure. Le réseau s’est révélé suffisamment stable pour être suivi sur de longues périodes. L’équipe est parvenue à enregistrer la croissance, le développement physique et les potentiels d’action, ces impulsions électriques par lesquelles les neurones communiquent. « Comprendre les structures de réseau et les principes de fonctionnement du cerveau pourrait aider au développement d’une informatique à usage général avec des efficacités de données et d’énergie améliorées, ainsi que fournir des aperçus sur la physiologie et la pathologie du cerveau, » ont déclaré les chercheurs dans leur étude publiée dans Nature Electronics.

Les auteurs de l’étude reconnaissent qu’augmenter l’échelle de ce système pour des calculs plus rapides représentera un défi technique majeur. La perspective reste toutefois particulièrement prometteuse, surtout lorsqu’elle est comparée aux réseaux actuels d’intelligence artificielle, véritables gouffres énergétiques. « Le système interfacé peut alors fournir une compréhension physiologiquement pertinente de la connectivité du réseau 3D du cerveau, » a conclu l’équipe. « [Il a] la capacité de suivre un réseau neuronal 3D [et] pourrait être utile pour comprendre l’efficacité et la polyvalence des capacités de calcul du cerveau. »

Selon la source : popularmechanics.com