Des neurones artificiels capables de communiquer avec de vrais neurones

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Après une lésion cérébrale (induite par un traumatisme ou une pathologie), rétablir la communication entre les différents circuits neuronaux est une étape cruciale dans la phase de récupération du patient. Des chercheurs sont parvenus à établir une communication en temps réel entre des neurones artificiels et de véritables neurones, à l’aide d’une stimulation lumineuse. Leur étude ouvre la voie au développement de neuroprothèses capables de remplacer des neurones endommagés et d’assurer les échanges d’informations.

Ainsi, un peu à la manière dont une paire de lunettes peut pallier une vision défaillante, les neurologues espèrent un jour concevoir un appareil qui soutiennent des circuits neuronaux endommagés. Une équipe internationale de chercheurs, dirigée par Paolo Bonifazi de l’Institut de recherche en santé Biocruces (Bilbao, Espagne) et Timothée Levi de l’Institut des sciences industrielles de l’Université de Tokyo et du laboratoire IMS de l’Université de Bordeaux, présente aujourd’hui un nouveau moyen de faire communiquer des réseaux neuronaux artificiels avec des réseaux biologiques.

Stimuler les neurones par la lumière

Les troubles et traumatismes neurologiques ont un impact certain sur les propriétés structurelles et fonctionnelles des réseaux cérébraux ; ils provoquent la mort des neurones, mais aussi la perte de synapses et d’axones, qui assurent la liaison entre les différentes régions du cerveau. Ces effets nuisent aux capacités locales de traitement de l’information, ainsi qu’à l’échange d’informations entre les circuits neuronaux distants. Ainsi, la recherche s’emploie à développer de nouvelles thérapies permettant d’assurer la survie cellulaire et la régénération des circuits locaux, pour restaurer la communication longue distance entre les diverses régions cérébrales.

Les thérapies cellulaires affichent de bons résultats en matière de greffe de circuits neuronaux, mais les connexions, très complexes, demeurent difficiles à rétablir. Des progrès importants ont toutefois été réalisés dans le domaine de la neuroprothèse au cours de la dernière décennie ; les circuits neuronaux à dopage artificiel sont localement capables de recevoir et de traiter les entrées en temps réel, tandis que leur sortie peut être délivrée localement ou à distance, par stimulation électrique ou optogénétique.

Le système nerveux fonctionne avec des signaux électriques ; pour communiquer entre eux, les neurones codent l’information en potentiels d’action, qui engendrent la libération de neurotransmetteurs. L’optogénétique consiste à rendre les neurones sensibles à la lumière, de manière à ce que celle-ci permette ensuite de contrôler leur activation et désactivation ; cette technique permet de stimuler bien plus spécifiquement les cellules que via les signaux électriques : « Les progrès de la technologie optogénétique nous ont permis de cibler précisément les neurones dans une très petite zone de notre réseau neuronal biologique », précise Timothée Levi.

L’optogénétique implique de modifier le code génétique des neurones, en insérant des gènes codant pour une protéine, l’opsine, qui est photosensible (les neurones peuvent ensuite être activés à une longueur d’onde particulière). Dans le cadre de cette étude, le réseau neuronal biologique cultivé en laboratoire, âgé de trois à quatre semaines, a été génétiquement modifié pour produire des protéines photosensibles dérivées d’algues, qui déclenchent la réaction des neurones lorsqu’ils sont exposés à la lumière bleue.

Les chercheurs ont alors utilisé un réseau neuronal à impulsions, implémenté sur une plateforme numérique (carte FPGA), pour produire des rythmes binaires de lumière bleue, ciblant une zone de 0,8 x 0,8 millimètre du réseau biologique. Chaque stimulation consistait en une image binaire composée de 8 × 8 carrés, représentant l’état de 64 neurones excitateurs. Les neurones biologiques ont répondu à ce stimulus par des modifications au niveau local, mais aussi à travers l’ensemble du réseau, à leur propre rythme. Les experts ont enregistré leur réponse via un réseau de microélectrodes, combiné à l’imagerie au calcium ; voici le résultat en images :

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Trouver le tempo adéquat

Les solutions thérapeutiques bioélectriques doivent nécessairement exploiter une interface biophysique en temps réel. Or, jusqu’à présent, peu d’expériences basées sur un réseau neuronal artificiel ont permis de construire un tel système temps réel pouvant fournir une stimulation adaptative. Dans le cadre de leur étude, Levi et son équipe ont utilisé un SNN (Spiking Neural Network) matériel, qui permet des stimulations en temps réel tout en consommant peu d’énergie. L’implémentation numérique a l’avantage d’être réglable et plus facile à traiter. Ils ont ainsi modélisé plusieurs formes d’activité biologique via ce SNN ; ces modèles ont été encodés en temps réel en impulsions lumineuses (de lumière bleue).

L’équipe a analysé la transmission de l’information à plusieurs fréquences et intensité du stimulus, de manière à déterminer les conditions dans lesquelles le transfert peut se produire. Pour obtenir une réponse du réseau neuronal biologique, les impulsions lumineuses devaient adopter une fréquence bien particulière : Levi explique en effet que le rythme des neurones artificiels devait correspondre à celui des vrais neurones. « Une fois que nous avons pu le faire, le réseau biologique a pu répondre aux “mélodies” envoyées par le réseau artificiel ». Les chercheurs soulignent cependant que le réseau d’électrodes utilisé pour détecter la réponse neuronale était quatre fois plus grand que la zone stimulée. De ce fait, il est probable qu’ils n’aient pas capté la réponse dans son ensemble.

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Quoi qu’il en soit, ces expériences fournissent déjà des informations essentielles pour créer une communication neuroprothétique efficace. L’équipe explique que leur capacité à cibler un très petit groupe de neurones promet une transmission d’informations plus élevée pour les futurs appareils, peut-être même jusqu’au niveau d’un seul neurone ! Décupler de cette façon les capacités neuronales pour créer des humains améliorés ? Non, ce n’est pas pour demain. Le premier objectif est de pallier les problèmes neurologiques inhérents aux traumatismes crâniens et là encore, les chercheurs estiment qu’il reste beaucoup de travail avant de développer une solution vraiment pérenne.