Grâce à de la lumière, des neurones artificiels communiquent avec un réseau biologique

Publié par Redbran le 09/06/2020 à 13:00
Source: CNRS INSIS
Les réseaux de neurones et leurs pendants artificiels évoluent dans des mondes distincts. Afin de les rapprocher, et dans l'espoir de concevoir des prothèses neurologiques, des chercheurs du Laboratoire d'intégration du matériau au système et des universités de Tel-Aviv, Tokyo et Ikerbasque ont développé un système pour que des neurones biologiques, génétiquement modifiés, réagissent en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel à l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) de neurones artificiels. La lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm...) bleue joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à...) un rôle crucial dans ces travaux, publiés dans Nature Scientifc Reports.


La carte FPGA émule un réseau de neurones dont l'activité est convertie en image numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par...). L'image est ensuite envoyée sur la culture (La Culture est une civilisation pan-galactique inventée par Iain M. Banks au travers de ses romans et nouvelles de science-fiction. Décrite...) de neurones. Chaque partie en blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre lumineux continu, d'où l'image que l'on en...) est alors stimulée. L'activité neuronale biologique est mesurée par un enregistrement électrique via MEA et par imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit par...) Calcium (Le calcium est un élément chimique, de symbole Ca et de numéro atomique 20.).
© IMS.

Les réseaux de neurones artificiels font l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut...) de nombreuses études en intelligence artificielle (L'intelligence artificielle ou informatique cognitive est la « recherche de moyens susceptibles de doter les systèmes informatiques de capacités...), mais pas seulement. Ils pourraient en effet également servir de prothèses, en support de neurones biologiques. Ces deux mondes doivent cependant pouvoir communiquer. Des chercheurs du Laboratoire d'intégration du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) au système (IMS, CNRS/Université de Bordeaux/Bordeaux INP) et des universités de Tel-Aviv, Tokyo et Ikerbasque ont fabriqué une preuve de concept de neuroprothèse, où des neurones artificiels transmettent des informations à des neurones biologiques et permettent leur synchronisation, le tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en temps réel. Les stimuli du système artificiel sont ainsi transformés en réponses similaires dans le système biologique.

Contrairement aux réseaux de neurones artificiels les plus utilisés en IA, les chercheurs ont ici employé des spiking neural networks (SNN), où l'activité neuronale est plus proche de celle biologique. Ces neurones sont implémentés dans une plateforme numérique où l'activité électrique de soixante-quatre d'entre eux est ensuite représentée par une image binaire composée de 8 × 8 carrés. Chaque carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre angles la même mesure. Un carré est à la...) s'allume si le neurone (Un neurone, ou cellule nerveuse, est une cellule excitable constituant l'unité fonctionnelle de base du système nerveux. Le terme de « neurone » fut introduit dans le...) est actif, et sinon reste noir. Cette image est ensuite projetée en lumière bleue sur une culture (La définition que donne l'UNESCO de la culture est la suivante [1] :) in vitro (In vitro (en latin : « dans le verre ») signifie un test en tube, ou, plus généralement, en dehors de l'organisme vivant ou de la cellule. Un exemple est la fécondation in vitro (FIV)....) de neurones de souris (Le terme souris est un nom vernaculaire ambigu qui peut désigner, pour les francophones, avant tout l’espèce commune Mus musculus, connue aussi comme animal de compagnie ou de laboratoire, mais aussi de...), qui ont justement été génétiquement modifiés pour réagir à cette couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).). On parle alors de stimulation (Une stimulation est un événement physique ou chimique qui active une ou plusieurs cellules réceptrices de l'organisme. La cellule traduit la stimulation par un potentiel d'action, qui est...) optogénétique. En dessous de la culture, une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une...) matrice d'électrodes (MEA) permet d'enregistrer leur réponse électrique ainsi qu'une imagerie Calcium, qui confirment que les neurones biologiques reproduisent bien, et en temps réel, l'activité des neurones artificiels. Après ce grand pas en avant dans la conception de neuroprothèses, les chercheurs tentent à présent de fermer la boucle en obtenant la communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications, nouvelles...) inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1...): des neurones biologiques aux artificiels, afin de développer de nouvelles thérapies permettant d'assurer la survie cellulaire et la régénération des circuits neuronaux.

Références:
Toward neuroprosthetic real-time communication from in silico to biological neuronal network via patterned optogenetic stimulation,
Y. Mosbacher, F. Khoyratee, M. Goldin, S. Kanner, Y. Malakai, M. Silva, F. Grassia, Y. Ben Simon, J. Cortes, A. Barzilai, T. Levi & P. Bonifazi.
Sci Rep 10, 7512 (2020)
https://doi.org/10.1038/s41598-020-63934-4

Contact:
Timothée Levi - IMS
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