Des neurones artificiels qui réagissent comme de vrais neurones ?



L'équipe de recherche, dirigée par l'Université britannique de Bath et comprenant des chercheurs des universités de Bristol, Zurich et Auckland, a mis au point des neurones artificiels sur des puces de silicium qui se comportent exactement des neurones biologiques. Une première importante pour les dispositifs médicaux qui visent à  soigner les maladies chroniques, telles que l'insuffisance cardiaque, la maladie d'Alzheimer, et d'autres maladies de dégénérescence neuronale. Leur étude a été publiée dans Nature Communications.

 

« Jusqu'à présent, explique le professeur Alain Nogaret, du Département de physique de l'Université de Bath, qui a dirigé le projet, les neurones étaient comme des boîtes noires, mais nous avons réussi à ouvrir la boîte noire 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 ».

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. Les chercheurs montrent dans cette étude qu’ils ont réussi à modéliser et à dériver des équations pour expliquer comment les neurones réagissent aux stimuli électriques des autres nerfs. Un processus complexe car les réponses sont « non linéaires » : si un signal envoyé est deux fois plus fort, il ne suscitera pas nécessairement une réaction deux fois plus forte. Elle pourrait être trois fois plus importante ou simplement différente.

 

Les chercheurs ont conçu des puces de silicium qui modélisent 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 et qu’ils pourraient réparer les bio-circuits malades en reproduisant leur fonction saine et en réagissant adéquatement à la rétroaction biologique pour rétablir les fonctions corporelles. « Notre approche combine plusieurs percées, explique le chercheur. Nous pouvons estimer très fidèlement les paramètres précis qui contrôlent le comportement des neurones avec une grande certitude. Nous avons créé des modèles physiques du matériel 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 de mammifères ».

 

Dans l'insuffisance cardiaque, par exemple, les neurones à la base du cerveau ne répondent pas correctement et « n’envoient pas les bons signaux au cœur, qui ne pompe pas aussi fort qu’il devrait ». Implantant ces puces à la base sur crâne de rats qui développaient une insuffisance cardiaque, les chercheurs ont pu « inverser la progression de la maladie ».

 

Pour le professeur Nogaret, « l’étape suivante est d’adapter le modèle à des biocircuits de neurones de fonctionnement plus complexe (…) en vue de pallier la défaillance des neurones de malades d’Alzheimer ou d’épileptiques ». Des essais cliniques sur l’humain « sont en train d’être mis en place par l’entreprise partenaire, Ceryx Medical Ltd ».


Sources: 

Texplore, Université de Bath (03/12/2019) - Sciences et avenir, Camille Gaubert (03/12/2019)