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Sciences

Neurones Artificiels

Un ordinateur remplace les cellules nerveuses de crabes et de langoustes

Crabe bleu: Mastication assistée par électrodes

Eduardo Cesar Crabe bleu: Mastication assistée par électrodesEduardo Cesar

Publié en mars 2005

Le crabe bleu reste couvert de glace dans une caisse en polystyrène pendant une demi-heure dans le laboratoire du physicien Reynaldo Daniel Pinto de l’Université de São Paulo (USP). Quand on le retire de la caisse, il est déjà anesthésié par le froid. Sur sa table de travail, le chercheur ouvre la carapace du crustacé (Callinectes sapidus) et examine l’intérieur. Entre les yeux se trouve le cerveau et juste en dessous l’estomac.

Daniel Pinto identifie les 30 neurones qui contrôlent le système digestif et la mastication du crabe, les isole avec précaution et commence une opération délicate. À l’aide d’un microscope, il implante dans une de ces cellules nerveuses une électrode en verre remplie d’une solution de chlorate de potassium dont la pointe est plus fine qu’un fil de cheveu. Des fils de cuivre connectent cette électrode à un circuit électronique qui convertit les impulsions nerveuses en chiffres numériques qui seront lus par un ordinateur classique, et qui maintenant jouera un rôle spécifique: remplacer une des cellules et agir comme un neurone artificiel. Voici un crabe bionique.

Dans cette expérience, le physicien évalue la capacité d’exécution de l’ordinateur à reproduire la même fonction qu’un neurone appelé gâchette antérieure, une des 14 cellules nerveuses composant le circuit pylorique qui commande le transport des aliments de l’estomac vers l’intestin. Si un de ces neurones est détruit ou si la communication avec les centres nerveux du cerveau est interrompue, les autres neurones commencent à émettre des signaux électriques désordonnés et la digestion s’arrête. C’est à ce moment là que l’ordinateur dûment programmé entre en jeu en se transformant en neurone virtuel qui agit comme l’original, tel un simulateur cardiaque.

Une autre électrode plantée dans le neurone envoie un courant d’ions (particules atomiques chargées électroniquement) de potassium et de chlore qui migrent vers la cellule. On recrée ainsi dans la cellule l’environnement chimique nécessaire à la transmission de l’impulsion nerveuse. Aussitôt stimulé, la cellule nerveuse du crabe réagit et transmet l’information aux neurones. En moins de deux secondes, un message arrive à l’estomac et les mouvements musculaires poussent l’aliment vers l’intestin.

Avec cette même technique, il est possible de savoir comment différents types de synapses (connections entre les neurones) agissent dans la saisie d’information, comme cela est décrit dans un article publié en juin dans la revue Neurosciences. “C’est un jeu de questions et de réponses où nous essayons de comprendre le langage utilisé par les neurones”, déclare Daniel Pinto. L’étude de ces neurones artificiels est un des développements du Projet Thématique coordonné par le physicien Iberê Luiz Caldas et qui a déjà débouché sur la création d’un modèle de prévision du comportement des bourses financières (voir Recherche FAPESP nº 65).

Si les physiciens ne comprennent pas encore le langage des neurones, ils ont réussi à déchiffrer certaines de leurs réponses. Dans une autre expérience, l’équipe de l’USP a stimulé le fonctionnement d’un groupe de neurones qui fait partie d’un ensemble de 30 cellules nerveuses du système nerveux lié à la mastication et à la digestion du crabe bleu, espèce rencontrée sur le littoral brésilien et appréciée pour sa chair savoureuse. 11 de ces 30 neurones, liés au contrôle de la mastication, transmettent les informations à un rythme beaucoup plus lent que ceux du circuit pylorique. Quand la communication entre ces cellules et le ganglion central est interrompue, tout le groupe de neurone s’arrête de fonctionner : les muscles qui font bouger les dents, situés dans l’estomac du crabe, se paralysent. Cette fois l’ordinateur n’agit plus uniquement tel un simulateur cardiaque qui envoie des signaux électriques à un rythme constant : il reçoit et interprète également les signaux émis par les cellules nerveuses avant d’envoyer une autre impulsion électrique.

Les quatre équations
L’ordinateur dûment programmé envoie des stimulus électriques vers un neurone spécifique du circuit débranché (le gastrique latéral) et redevient silencieux. Quand il est provoqué, le gastrique latéral réagit par un renvoi de l’impulsion électrique au neurone, avant de redevenir inactif. On crée ainsi un cycle de stimulus, de renvois et silences qui affecte les autres neurones du groupe. Finalement, le rythme de fonctionnement du circuit est récupéré et la mastication reprend son cours. “La simple présence du renvoi et le cycle de réponses et d’absences de l’activité qu’il vient de créer paraissent être suffisant pour que le circuit redevienne normal, sans avoir besoin d’un neurone simulateur ”, déclare Daniel Pinto.

Il n’aurait jamais imaginé qu’il allait étudier le comportement des neurones. Pendant son doctorat, il a travaillé sur la Théorie du Chaos et a expliqué le comportement des gouttes d’eau qui gouttent d’un robinet à moitié fermé. L’étude des équations qui essayent de prévoir le développement de phénomènes complexes a été fondamentale pour donner de l’élan à sa carrière. Durant son post-doctorat à l’Université de Californie, à San Diego, aux États-Unis, Daniel Pinto a appliqué la physique à l’étude de l’activité des neurones d’un autre crustacé: la langouste épineuse californiennes (Panulirus interruptus), dont la taille peut atteindre 40 centimètres. C’est à ce moment là, qu’il a développé le programme permettant à un ordinateur de se comporter comme un neurone.

Daniel Pinto a utilisé un modèle mathématique de neurone qui fonctionne avec trois équations de la Théorie du Chaos et en a rajouté une quatrième. Il a pu ainsi construire un circuit électronique capable d’émettre des signaux électriques et qui agit comme un neurone artificiel. Mais il y avait des limitations. Quand il voulait modifier le message envoyé aux cellules biologiques, il devait repartir de zéro et reconstruire un autre circuit. Grâce à l’augmentation de la vitesse et de la mémoire des ordinateurs, il a crée un programme basé sur ces quatre équations permettant à la machine d’agir comme un neurone numérique. Maintenant il parvient à altérer les variables des équations et faire qu’une même machine puisse envoyer des ordres différents aux neurones originaux.

Ce programme devrait favoriser la création de prothèses anatomiques contenant des neurones artificiels. Il peut également, quand il sera amélioré, être utilisé dans le traitement de personnes paralysées des bras et des jambes. Mais nous n’y sommes pas encore. Le physicien Antonio Carlos Roque da Silva Filho, de l’USP à Ribeirao Preto, mélange optimisme et prudence quand il explique le stade actuel des recherches dans ce domaine. “Durant ces trois dernières décennies, nous avons produit une grande quantité d’information sur le fonctionnement du cerveau humain ” déclare-t-il. L’enjeu actuel est de construire des modèles mathématiques et informatisés qui interprèteront les données produites. Il rajoute également que “des phénomènes liés à la perception et aux émotions, comme la mémoire et la conscience sont encore complètement méconnus ”.

Le projet
Dynamique non linéaire; Modalité Projet thématique; Coordinnateur Iberê luiz caldas – institut De physique de l’usp; Investissement 476.477,50 réaux

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