Des cellules cérébrales humaines placées dans un plat apprennent à jouer au Pong
Les neurones biologiques vivants en disent plus sur le fonctionnement du cerveau que l'IA ne le fera jamais
Une équipe dirigée par des chercheurs de Melbourne a démontré pour la première fois que 800 000 cellules cérébrales vivant dans une boîte de conserve peuvent effectuer des tâches dirigées vers un but précis, en l'occurrence le jeu d'ordinateur Pong, qui ressemble à du tennis. Les résultats de l'étude sont publiés dans la revue Neuron.
Image symbolique
Computer generated picture
Image microscopique de cellules neurales où des marqueurs fluorescents indiquent différents types de cellules. Le vert marque les neurones et les axones, le violet les neurones, le rouge les dendrites et le bleu toutes les cellules. Lorsque plusieurs marqueurs sont présents, les couleurs sont fusionnées et apparaissent généralement en jaune ou en rose, selon la proportion de marqueurs.
Cortical Labs
Le directeur scientifique de Cortical Labs, le Dr Brett J. Kagan (assis), et le directeur général, le Dr Hon Weng (debout), effectuant des travaux sur les cellules sur des matrices multiélectrodes dans une hotte de sécurité biologique.
Cortical Labs
Image au microscope électronique à balayage d'une culture de neurones qui a poussé pendant plus de six mois sur un réseau multi-électrodes à haute densité. Quelques cellules neurales se développent à la périphérie et ont développé des réseaux complexes qui recouvrent les électrodes au centre.
Cortical Labs
Ils vont maintenant découvrir ce qui se passe lorsque leur DishBrain est affecté par des médicaments et de l'alcool.
"Nous avons montré que nous pouvons interagir avec des neurones biologiques vivants de manière à les obliger à modifier leur activité, ce qui conduit à quelque chose qui ressemble à de l'intelligence", explique l'auteur principal, le Dr Brett Kagan, qui est directeur scientifique de la start-up biotechnologique Cortical Labs, dont l'objectif est de créer une nouvelle génération de puces informatiques biologiques. Ses coauteurs sont affiliés à l'université Monash, à l'université RMIT, à l'University College London et à l'Institut canadien de recherches avancées.
"DishBrain offre une approche plus simple pour tester le fonctionnement du cerveau et mieux comprendre des maladies débilitantes comme l'épilepsie et la démence", déclare le Dr Hon Weng Chong, directeur général de Cortical Labs.
Si les scientifiques sont depuis longtemps capables de monter des neurones sur des réseaux de multiélectrodes et de lire leur activité, c'est la première fois que les cellules sont stimulées de manière structurée et significative.
"Dans le passé, les modèles du cerveau ont été développés en fonction de la façon dont les informaticiens pensent que le cerveau pourrait fonctionner", explique Kagan. "Cela est généralement basé sur notre compréhension actuelle des technologies de l'information, comme l'informatique au silicium.
"Mais en réalité, nous ne comprenons pas vraiment comment le cerveau fonctionne."
En construisant ainsi un modèle vivant de cerveau à partir de structures de base, les scientifiques pourront faire des expériences en utilisant le fonctionnement réel du cerveau plutôt que des modèles analogues défectueux comme un ordinateur.
Kagan et son équipe, par exemple, vont ensuite expérimenter pour voir quel effet a l'alcool lorsqu'il est introduit dans DishBrain.
"Nous essayons de créer une courbe dose-réponse avec l'éthanol, c'est-à-dire de les faire boire et de voir s'ils jouent moins bien au jeu, comme lorsqu'on boit", explique Kagan.
Cela ouvre potentiellement la porte à de toutes nouvelles façons de comprendre ce qui se passe dans le cerveau.
"Cette nouvelle capacité à apprendre à des cultures cellulaires à effectuer une tâche dans laquelle elles font preuve de sensibilité - en contrôlant la raquette pour renvoyer la balle par détection - ouvre de nouvelles possibilités de découverte qui auront des conséquences considérables pour la technologie, la santé et la société", déclare le Dr Adeel Razi, directeur du Computational & Systems Neuroscience Laboratory de l'université Monash.
"Nous savons que notre cerveau a l'avantage évolutif d'avoir été réglé sur des centaines de millions d'années pour la survie. Maintenant, il semble que nous ayons à portée de main l'endroit où nous pouvons exploiter cette intelligence biologique incroyablement puissante et bon marché."
Les résultats soulèvent également la possibilité de créer une alternative à l'expérimentation animale pour étudier comment les nouveaux médicaments ou les thérapies géniques réagissent dans ces environnements dynamiques.
"Nous avons également montré que nous pouvons modifier la stimulation en fonction de la façon dont les cellules modifient leur comportement et le faire en boucle fermée en temps réel", explique Kagan.
Pour réaliser l'expérience, l'équipe de recherche a pris des cellules de souris provenant de cerveaux embryonnaires ainsi que des cellules de cerveau humain dérivées de cellules souches et les a cultivées sur des réseaux de microélectrodes qui pouvaient à la fois les stimuler et lire leur activité.
Les électrodes situées à gauche ou à droite d'un réseau étaient activées pour indiquer à Dishbrain de quel côté se trouvait la balle, tandis que la distance par rapport à la raquette était indiquée par la fréquence des signaux. Le retour d'information des électrodes a appris à Dishbrain comment renvoyer la balle, en faisant en sorte que les cellules agissent comme si elles étaient elles-mêmes la raquette.
"Nous n'avions encore jamais été en mesure de voir comment les cellules agissent dans un environnement virtuel", déclare Kagan. "Nous avons réussi à construire un environnement en boucle fermée capable de lire ce qui se passe dans les cellules, de les stimuler avec des informations significatives, puis de modifier les cellules de manière interactive afin qu'elles puissent réellement se modifier mutuellement."
"L'aspect magnifique et pionnier de ce travail repose sur le fait de doter les neurones de sensations - le retour d'information - et, de manière cruciale, de la capacité d'agir sur leur monde", explique le coauteur, le professeur Karl Friston, neuroscientifique théorique à l'UCL, à Londres.
"De façon remarquable, les cultures ont appris à rendre leur monde plus prévisible en agissant sur lui. C'est remarquable parce qu'il est impossible d'enseigner ce type d'auto-organisation, tout simplement parce que, contrairement à un animal domestique, ces mini-cerveaux n'ont aucun sens de la récompense et de la punition", explique-t-il.
Le potentiel d'application de ces travaux est vraiment passionnant : cela signifie que nous n'avons pas à nous soucier de créer des "jumeaux numériques" pour tester des interventions thérapeutiques. Nous disposons désormais, en principe, de l'ultime "bac à sable" biomimétique dans lequel nous pouvons tester les effets des médicaments et des variantes génétiques - un bac à sable constitué exactement des mêmes éléments informatiques (neurones) que l'on trouve dans votre cerveau et dans le mien."
La recherche soutient également le "principe de l'énergie libre" développé par le professeur Friston.
"Nous avons été confrontés à un défi lorsque nous avons cherché à savoir comment ordonner aux cellules de suivre un certain chemin. Nous n'avons pas d'accès direct aux systèmes dopaminergiques ni à quoi que ce soit d'autre que nous pourrions utiliser pour fournir des incitations spécifiques en temps réel. Nous avons donc dû aller un peu plus loin, vers ce avec quoi le professeur Friston travaille : l'entropie de l'information - un niveau fondamental d'information sur la façon dont le système pourrait s'auto-organiser pour interagir avec son environnement au niveau physique.
"Le principe de l'énergie libre propose que les cellules à ce niveau essaient de minimiser l'imprévisibilité de leur environnement".
Selon Kagan, une découverte passionnante a été que DishBrain ne se comportait pas comme les systèmes à base de silicium. "Lorsque nous avons présenté des informations structurées à des neurones désincarnés, nous avons vu qu'ils modifiaient leur activité d'une manière qui est très cohérente avec le fait qu'ils se comportent réellement comme un système dynamique", dit-il.
"Par exemple, la capacité des neurones à changer et à adapter leur activité en fonction de l'expérience augmente avec le temps, ce qui correspond à ce que nous observons avec le taux d'apprentissage des cellules."
Chong dit avoir été enthousiasmé par cette découverte, mais ce n'était que le début.
"C'est un tout nouveau territoire vierge. Nous voulons que davantage de personnes se joignent à nous et collaborent à ce projet, afin d'utiliser le système que nous avons construit pour explorer davantage ce nouveau domaine scientifique", dit-il.
"Comme l'a dit l'un de nos collaborateurs, ce n'est pas tous les jours qu'on se réveille et qu'on peut créer un nouveau domaine scientifique."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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