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Des scientifiques ont conçu des neurones artificiels sur des puces de silicium qui se comportent exactement comme les vrais neurones – une première en son genre avec un énorme potentiel pour les dispositifs médicaux destinés à guérir des maladies chroniques, comme l’insuffisance cardiaque, la maladie d’Alzheimer et autres maladies de dégénérescence neuronale.

Des neurones artificiels sur des puces de silicium 

Les neurones artificiels ne se comportent pas seulement comme des neurones biologiques, mais n’ont besoin que d’un milliardième de la puissance d’un microprocesseur, ce qui les rend parfaitement adaptés à une utilisation dans les implants médicaux et autres dispositifs bioélectroniques.
Concevoir des neurones artificiels qui répondent aux signaux électriques du système nerveux comme de vrais neurones est un objectif majeur de la médecine depuis des décennies, car cela ouvre la possibilité de guérir des maladies où les neurones ne fonctionnent pas correctement, où leurs processus sont coupés comme dans les lésions médullaires, ou sont morts.
Les neurones artificiels pourraient réparer les circuits des malades en reproduisant leur fonction saine et en réagissant adéquatement à la rétroaction biologique pour rétablir les fonctions corporelles. Dans l’insuffisance cardiaque, par exemple, les neurones à la base du cerveau ne répondent pas correctement à la rétroaction du système nerveux, ils n’envoient pas à leur tour les bons signaux au cœur, qui ne pompe alors pas aussi fort qu’il le faudrait. Cependant, le développement de neurones artificiels a été un immense défi en raison de la biologie complexe et des réponses neuronales difficiles à prévoir.
Les chercheurs ont réussi à modéliser et à dériver des équations pour expliquer comment les neurones réagissent aux stimuli électriques des autres nerfs. C’est incroyablement compliqué car les réponses sont « non linéaires » – en d’autres termes, si un signal devient deux fois plus fort, il ne devrait pas nécessairement provoquer une réaction deux fois plus forte – il pourrait être trois fois plus fort et peut-être plus.

Reproduire les canaux ioniques biologiques

Ils ont ensuite conçu des puces de silicium qui modélisaient avec précision les canaux ioniques biologiques, avant de prouver que leurs neurones de silicium imitaient précisément les neurones réels vivants répondant à toute une série de stimulations.
Les chercheurs ont reproduit avec précision la dynamique complète des neurones de l’hippocampe et des neurones respiratoires de rats, sous une large gamme de stimuli.
Le professeur Alain Nogaret, du Département de physique de l’Université de Bath, a dirigé le projet a dit : « jusqu’à présent, les neurones étaient comme des boîtes noires, mais nous avons réussi à ouvrir cette boîte et à regarder à l’intérieur. Notre travail est en train de changer de paradigme parce qu’il fournit une méthode robuste pour reproduire les propriétés électriques des neurones réels dans les moindres détails. »

Des neurones très peu énergivores

« Mais c’est plus important que ça, parce que nos neurones n’ont besoin que de 140 nanowatts d’énergie. C’est un milliardième de la puissance requise d’un microprocesseur. Cela rend les neurones bien adaptés aux implants bioélectroniques pour le traitement des maladies chroniques.
« Par exemple, nous mettons au point des stimulateurs cardiaques intelligents qui non seulement stimuleront le cœur à pomper à un rythme constant, mais qui utiliseront ces neurones pour répondre en temps réel aux exigences imposées au cœur – ce qui se produit naturellement dans un cœur sain. D’autres applications possibles pourraient être dans le traitement de maladies comme la maladie d’Alzheimer et les maladies dégénératives neuronales en général.

Une polyvalence qui permet l’inclusion de différentes fonctions

« Notre approche combine plusieurs percées. Nous pouvons estimer très précisément les paramètres qui contrôlent le comportement des neurones avec une grande certitude. Nous avons créé des modèles physiques et démontré sa capacité à imiter avec succès le comportement des neurones vivants réels. Notre troisième percée est la polyvalence de notre modèle qui permet l’inclusion de différents types et fonctions d’une gamme de neurones complexes des mammifères. »
Le professeur Giacomo Indiveri, coauteur de cette étude, de l’Université de Zurich et de l’ETF Zurich, a ajouté : « Ce travail ouvre de nouveaux horizons pour la conception de puces neuromorphes grâce à son approche unique pour identifier les paramètres cruciaux des circuits analogiques ».

Des dispositifs médicaux plus intelligents 

Un autre coauteur, le professeur Julian Paton, physiologiste aux universités de Bristol et d’Auckland, a déclaré : « reproduire la réponse des neurones respiratoires en bioélectronique qui peut être miniaturisée et implantée est très intéressant et ouvre d’énormes opportunités pour des dispositifs médicaux plus intelligents qui mènent à des approches médicales personnalisées pour une série de maladies et de handicaps.
L’équipe de recherche a décrit ces neurones artificiels dans une étude publiée dans Nature Communications.
Source : University of Bristol
Crédit photo : Pixabay