(Rost-9D/iStock/Getty Images) Les scientifiques ont créé des parties clés de cellules cérébrales synthétiques capables de conserver des «mémoires» cellulaires pendant des millisecondes. Cette réalisation pourrait un jour conduire à des ordinateurs qui fonctionnent comme le cerveau humain.
Ces parties, qui ont été utilisées pour modéliser une cellule cérébrale artificielle, utilisent des particules chargées appelées ions pour produire un signal électrique, de la même manière que les informations sont transférées entre les neurones de votre cerveau.
Les ordinateurs actuels peuvent faire des choses incroyables, mais cette puissance de traitement a un coût énergétique élevé. En revanche, le cerveau humain est remarquablement efficace, utilisant à peu près l'énergie contenue dans deux bananes pour effectuer une journée entière de travail.
Bien que les raisons de cette efficacité ne soient pas entièrement claires, les scientifiques ont estimé que s'ils pouvaient rendre un ordinateur plus semblable au cerveau humain, il nécessiterait beaucoup moins d'énergie.
L'une des façons dont les scientifiques tentent de reproduire la machinerie biologique du cerveau consiste à utiliser la puissance des ions, les particules chargées sur lesquelles le cerveau s'appuie pour produire électricité .
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Neurones artificiels
(Paul Robin, ENS Laboratoire de Physique (CNRS/ENS-PSL/Sorbonne Université/Université de Paris)
Au dessus: Le prototype de neurone artificiel des chercheurs.
Dans la nouvelle étude, publiée dans la revue La science le 6 août, des chercheurs du Centre national de la recherche scientifique de Paris, en France, ont créé un modèle informatique de neurones artificiels capables de produire le même type de signaux électriques que les neurones utilisent pour transférer des informations dans le cerveau ; en envoyant des ions à travers de minces canaux d'eau pour imiter de vrais canaux ioniques, les chercheurs ont pu produire ces pointes électriques.
Et maintenant, ils ont même créé un modèle physique incorporant ces canaux dans le cadre d'une recherche en cours non publiée.
«À ma connaissance, c'est la première fois que des gens [font] cela avec des ions», a déclaré le co-auteur de l'étude, Lydéric Bocquet, physicien à l'École normale supérieure.
À un niveau plus fin, les chercheurs ont créé un système qui imite le processus de génération de potentiels d'action - des pics d'activité électrique générés par les neurones qui sont à la base de l'activité cérébrale. Pour générer un potentiel d'action, un neurone commence à laisser entrer plus d'ions positifs, qui sont attirés par les ions négatifs à l'intérieur de la cellule.
Le potentiel électrique, ou tension à travers la membrane cellulaire, provoque l'ouverture de portes sur la cellule appelées canaux ioniques voltage-dépendants, augmentant encore plus la charge avant que la cellule n'atteigne un pic et ne revienne à la normale quelques millisecondes plus tard. Le signal est ensuite transmis à d'autres cellules, permettant aux informations de voyager dans le cerveau.
Pour imiter les canaux ioniques voltage-dépendants, les chercheurs ont modélisé une fine couche d'eau entre des feuilles de graphène , qui sont des feuilles de carbone extrêmement minces. Les couches d'eau dans les simulations avaient une, deux ou trois molécules de profondeur, ce que les chercheurs ont caractérisé comme une fente quasi bidimensionnelle.
Bocquet a déclaré que les chercheurs souhaitaient utiliser cet environnement bidimensionnel car les particules ont tendance à réagir beaucoup plus fortement en deux dimensions qu'en trois, et elles présentent des propriétés différentes en deux dimensions, ce qui, selon les chercheurs, pourrait être utile pour leur expérience.
'En physique, deux dimensions, c'est très bizarre', a déclaré Bocquet. 'Donc, vous vous attendez à ce que de nouvelles choses se produisent.'
En testant le modèle dans une simulation informatique, les chercheurs ont découvert que lorsqu'ils appliquaient un champ électrique au canal, les ions dans l'eau formaient des structures en forme de ver.
Au fur et à mesure que l'équipe appliquait un champ électrique plus important dans la simulation, ces structures se briseraient assez lentement pour laisser derrière elles un ' Mémoire ,' ou un soupçon de configuration allongée.
Lorsque les chercheurs ont exécuté une simulation reliant deux canaux et d'autres composants pour imiter le comportement d'un neurone, ils ont découvert que le modèle pouvait générer des pics d'activité électrique comme des potentiels d'action, et qu'il 'se souvenait' de propriétés cohérentes dans deux états différents - un où les ions conduit plus d'électricité et un où ils en conduisent moins.
Dans cette simulation, la « mémoire » de l'état précédent des ions a duré quelques millisecondes, à peu près au même moment qu'il faut à de vrais neurones pour produire un potentiel d'action et revenir à un état de repos.
C'est un temps assez long pour les ions, qui fonctionnent généralement sur des échelles de temps de nanosecondes ou moins. Dans un vrai neurone, un potentiel d'action équivaut à une mémoire cellulaire dans le neurone ; notre cerveau utilise l'ouverture et la fermeture des canaux ioniques pour créer ce type de mémoire.
'Nous avons finalement une mémoire similaire, mais la raison du phénomène est très différente', a déclaré Bocquet.
Créer un 'souvenir'
Le nouveau modèle est une version d'un composant électronique appelé memristor, ou résistance mémoire, qui a la propriété unique de conserver les informations de son historique. Mais les memristors existants n'utilisent pas de liquide, contrairement au cerveau.
'Les memristors typiques avec lesquels je travaille, et avec lesquels d'autres personnes dans la littérature travaillent, sont des memristors à semi-conducteurs', a déclaré Gina Adam, professeure adjointe de génie électrique et informatique à l'Université George Washington, qui n'a pas participé à l'étude. Cette nouvelle recherche sur la création de memristors fluides est 'très prometteuse et très intrigante', a ajouté Adam.
Elle a également déclaré que même si les ordinateurs pratiques de type cerveau sont probablement loin, cette recherche pourrait également aider les scientifiques à mieux comprendre comment le cerveau traite l'information et à développer de nouvelles théories sur l'informatique de type cerveau.
Depuis qu'il a mené cette recherche avec des simulations informatiques, Bocquet dit que lui et ses collaborateurs de l'Université de Manchester au Royaume-Uni ont donné vie à leur théorie, en l'utilisant pour créer une synapse artificielle, la partie d'un neurone qui transmet des signaux électriques, et ils ont commencé à effectuer des expériences avec elle.
'C'est excitant parce que c'est un terrain de jeu maintenant', a déclaré Bocquet. 'Nous pouvons explorer ces choses activement.'
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Cet article a été initialement publié par Sciences en direct . Lire l'article d'origine ici .