La bioinformatique avec des mini-cerveaux en tant que processeurs pourrait être plus puissante que l'IA basée sur le silicium

Le cerveau humain est un maître du calcul. Il n'est pas étonnant que des algorithmes inspirés du cerveau aux puces neuromorphiques, les scientifiques empruntent le livre de jeu du cerveau pour donner un coup de pouce aux machines.

Pourtant, les résultats, à la fois logiciels et matériels, ne capturent qu'une fraction de la complexités informatiques intégrées dans les neurones. Mais peut-être que le principal obstacle à la construction d'ordinateurs ressemblant à des cerveaux est que nous ne comprenons toujours pas entièrement le fonctionnement du cerveau. Par exemple, comment son architecture, définie par des couches préétablies, des régions et des circuits neuronaux en constante évolution, donne-t-elle un sens à notre monde chaotique avec une efficacité élevée et une faible consommation d'énergie ?

Alors pourquoi ne pas contourner cette énigme et utiliser le tissu neural directement comme bio-ordinateur ?

Ce mois-ci, une équipe de l'Université Johns Hopkins a tracé un plan audacieux pour un nouveau domaine de l'informatique : l'intelligence organoïde (OI). Ne vous inquiétez pas, ils ne parlent pas d'utiliser des tissus cérébraux humains vivants reliés à des fils dans des bocaux. Au lieu de cela, comme dans le nom, l'accent est mis sur un substitut : les organoïdes cérébraux, mieux connus sous le nom de "mini-cerveaux". Ces pépites de la taille d'un pois ressemblent à peu près au fœtus précoce cerveau humain dans son expression génique, sa grande variété de cellules cérébrales et son organisation. Leurs circuits neuronaux étincellent d'une activité spontanée, onduler avec des ondes cérébrales, et peut même détecter la lumière et contrôler les mouvements musculaires.

Essentiellement, les organoïdes cérébraux sont des processeurs hautement développés qui dupliquent le cerveau à un degré limité. Théoriquement, différents types de mini-cerveaux pourraient être connectés à des capteurs numériques et à des dispositifs de sortie, un peu comme des interfaces cerveau-machine, mais comme un circuit extérieur au corps. À long terme, ils peuvent se connecter les uns aux autres dans un super bioordinateur formé à l'aide de méthodes de biofeedback et d'apprentissage automatique pour permettre «l'intelligence dans un plat».

Cela vous semble un peu effrayant ? Je suis d'accord. Les scientifiques ont longtemps débattu de l'endroit où tracer la ligne; c'est-à-dire lorsque le mini-cerveau devient trop semblable à un cerveau humain, avec le scénario cauchemardesque hypothétique des pépites développant la conscience.

L'équipe est bien au courant. Dans le cadre de l'intelligence organoïde, ils soulignent la nécessité d'une « éthique intégrée », avec un consortium de scientifiques, de bioéthiciens et du public intervenant tout au long du développement. Mais pour l'auteur principal, le Dr Thomas Hartung, le moment est venu de lancer la recherche sur l'intelligence organoïde.

"L'informatique biologique (ou bioinformatique) pourrait être plus rapide, plus efficace et plus puissante que l'informatique à base de silicium et l'IA, et ne nécessiter qu'une fraction de l'énergie", a écrit l'équipe.

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Une solution intelligente

L'utilisation du tissu cérébral comme matériel de calcul peut sembler bizarre, mais il y a eu des pionniers précédents. En 2022, la société australienne Laboratoires corticaux enseigné des centaines de milliers de neurones isolés dans un plat jouer au pong à l'intérieur d'un environnement virtuel. Les neurones se sont connectés à des puces de silicium alimentées par des algorithmes d'apprentissage en profondeur dans une «plate-forme d'intelligence biologique synthétique» qui a capturé les signes neurobiologiques de base de l'apprentissage.

Ici, l'équipe a poussé l'idée un peu plus loin. Si des neurones isolés pouvaient déjà supporter une forme rudimentaire de bioinformatique, qu'en est-il des mini-cerveaux 3D ?

Depuis leurs débuts il y a dix ans, les mini-cerveaux sont devenus des chouchous pour examiner les troubles neurodéveloppementaux tels que l'autisme et tester de nouveaux traitements médicamenteux. Souvent cultivés à partir des cellules de la peau d'un patient - transformées en cellules souches pluripotentes induites (iPSC) - les organoïdes sont particulièrement puissants pour imiter la constitution génétique d'une personne, y compris son câblage neuronal. Plus récemment, les organoïdes humains partiellement restauré vision endommagée chez les rats après intégration avec leurs neurones hôtes.

En d'autres termes, les mini-cerveaux sont déjà des éléments constitutifs d'un système de bioinformatique plug-and-play qui se connecte facilement aux cerveaux biologiques. Alors pourquoi ne pas les utiliser comme processeurs pour un ordinateur ? « La question est : pouvons-nous apprendre et exploiter la capacité de calcul de ces organoïdes ? a demandé l'équipe.

Un gros plan

L'année dernière, un groupe d'experts en bioinformatique réunis dans le premier atelier sur l'intelligence organoïde dans le but de former une communauté abordant l'utilisation et les implications des mini-cerveaux en tant que bio-ordinateurs. Le thème général, consolidé dans « la déclaration de Baltimore », était la collaboration. Un système de mini-cerveau a besoin de plusieurs composants : des dispositifs pour détecter l'entrée, le processeur et une sortie lisible.

Dans le nouvel article, Hartung envisage quatre trajectoires pour accélérer l'intelligence organoïde.

Le premier se concentre sur le composant critique : le mini-cerveau. Bien que densément remplis de cellules cérébrales qui soutiennent l'apprentissage et la mémoire, les organoïdes sont encore difficiles à cultiver à grande échelle. L'un des premiers objectifs clés, ont expliqué les auteurs, est la mise à l'échelle.

Les systèmes microfluidiques, qui agissent comme des «pépinières», doivent également s'améliorer. Ces bains moussants de haute technologie fournissent des nutriments et de l'oxygène pour garder les mini-cerveaux en plein essor en vie et en bonne santé tout en éliminant les déchets toxiques, leur donnant le temps de mûrir. Le même système peut également pomper des neurotransmetteurs - des molécules qui relient la communication entre les neurones - dans des régions spécifiques pour modifier leur croissance et leur comportement.

Les scientifiques peuvent alors surveiller les trajectoires de croissance à l'aide d'une variété d'électrodes. Bien que la plupart soient actuellement adaptés aux systèmes 2D, l'équipe et d'autres évoluent avec des interfaces 3D spécialement conçues pour les organoïdes, inspirées des capsules EEG (électroencéphalogramme) avec plusieurs électrodes placées dans une forme sphérique.

Vient ensuite le décodage des signaux. La deuxième trajectoire consiste à déchiffrer le quand et le où de l'activité neuronale à l'intérieur des mini-cerveaux. Lorsqu'ils sont zappés avec certains schémas électriques - par exemple, ceux qui encouragent les neurones à jouer au Pong - produisent-ils les résultats attendus ?

C'est une autre tâche difficile; l'apprentissage modifie les circuits neuronaux à plusieurs niveaux. Alors que mesurer ? L'équipe suggère de creuser à plusieurs niveaux, y compris l'expression génique altérée dans les neurones et la façon dont ils se connectent aux réseaux neuronaux.

C'est là que l'IA et la collaboration peuvent faire sensation. Les réseaux de neurones biologiques sont bruyants, de sorte que plusieurs essais sont nécessaires avant que "l'apprentissage" ne devienne apparent, générant à son tour un déluge de données. Pour l'équipe, l'apprentissage automatique est l'outil parfait pour extraire comment différentes entrées, traitées par le mini-cerveau, se transforment en sorties. Semblable à des projets de neurosciences à grande échelle tels que le Initiative cerveau, les scientifiques peuvent partager leurs recherches sur l'intelligence organoïde dans un espace de travail communautaire pour des collaborations mondiales.

La trajectoire trois est plus loin dans le futur. Avec des mini-cerveaux efficaces et durables et des outils de mesure en main, il est possible de tester des entrées plus complexes et de voir comment la stimulation se répercute sur le processeur biologique. Par exemple, rend-il son calcul plus efficace ? Différents types d'organoïdes, par exemple ceux qui ressemblent au cortex et à la rétine, peuvent être interconnectés pour construire des formes plus complexes d'intelligence organoïde. Celles-ci pourraient aider à "tester empiriquement, explorer et développer davantage les théories neurocomputationnelles de l'intelligence", ont écrit les auteurs.

Intelligence à la demande ?

La quatrième trajectoire est celle qui sous-tend l'ensemble du projet : l'éthique de l'utilisation des mini-cerveaux pour le bioinformatique.

Comme les organoïdes cérébraux ressemblent de plus en plus au cerveau, à tel point qu'ils peuvent intégrer et restaurer partiellement système visuel endommagé d'un rongeur - les scientifiques se demandent s'ils peuvent acquérir une sorte de conscience.

Pour être clair, rien ne prouve que les mini-cerveaux soient conscients. Mais "ces inquiétudes augmenteront au cours du développement de l'intelligence organoïde, à mesure que les organoïdes deviennent structurellement plus complexes, reçoivent des entrées, génèrent des sorties et, au moins théoriquement, traitent des informations sur leur environnement et construisent une mémoire primitive", ont déclaré les auteurs. Cependant, le but de l'intelligence organoïde n'est pas de recréer la conscience humaine, mais plutôt d'imiter les fonctions de calcul du cerveau.

Le mini-processeur de cerveau n'est pas la seule préoccupation éthique. Un autre est le don de cellules. Étant donné que les mini-cerveaux conservent la composition génétique de leur donneur, il existe un risque de biais de sélection et de limitation de la neurodiversité.

Ensuite, il y a le problème du consentement éclairé. Comme l'a montré l'histoire de la célèbre lignée de cellules cancéreuses HeLa, le don de cellules peut avoir des impacts multigénérationnels. "Qu'est-ce que l'organoïde montre sur le donneur de cellules?" ont demandé les auteurs. Les chercheurs auront-ils l'obligation d'informer le donneur s'ils découvrent des troubles neurologiques au cours de leurs recherches ?

Pour naviguer sur le «territoire vraiment inexploré», l'équipe propose une approche éthique intégrée. À chaque étape, les bioéthiciens collaboreront avec des équipes de recherche pour cartographier les problèmes potentiels de manière itérative tout en recueillant les opinions publiques. La stratégie est similaire à d'autres sujets controversés, tels que modification génétique chez l'homme.

Un mini-ordinateur alimenté par le cerveau est dans des années. "Il faudra des décennies avant d'atteindre l'objectif de quelque chose de comparable à n'importe quel type d'ordinateur", a déclaré Hartung. Mais il est temps de commencer : lancer le programme, consolider plusieurs technologies dans tous les domaines et engager des discussions éthiques.

"En fin de compte, nous visons une révolution de l'informatique biologique qui pourrait surmonter bon nombre des limitations de l'informatique et de l'IA basées sur le silicium et avoir des implications importantes dans le monde entier", a déclaré l'équipe.

Crédit image: Jesse Plotkin/Université Johns Hopkins

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• La source: https://singularityhub.com/2023/03/07/biocomputing-with-mini-brains-as-processors-could-be-more-powerful-than-ai/