Grâce à de la lumière, des neurones artificiels communiquent avec un réseau biologique

Résultat scientifique Génie électrique et électronique

Les réseaux de neurones et leurs pendants artificiels évoluent dans des mondes distincts. Afin de les rapprocher, et dans l’espoir de concevoir des prothèses neurologiques, des chercheurs du Laboratoire d’intégration du matériau au système et des universités de Tel-Aviv, Tokyo et Ikerbasque ont développé un système pour que des neurones biologiques, génétiquement modifiés, réagissent en temps réel à l’activité de neurones artificiels. La lumière bleue joue un rôle crucial dans ces travaux, publiés dans Nature Scientifc Reports.

Les réseaux de neurones artificiels font l’objet de nombreuses études en intelligence artificielle, mais pas seulement. Ils pourraient en effet également servir de prothèses, en support de neurones biologiques. Ces deux mondes doivent cependant pouvoir communiquer. Des chercheurs du Laboratoire d’intégration du matériau au système (IMS, CNRS/Université de Bordeaux/Bordeaux INP) et des universités de Tel-Aviv, Tokyo et Ikerbasque ont fabriqué une preuve de concept de neuroprothèse, où des neurones artificiels transmettent des informations à des neurones biologiques et permettent leur synchronisation, le tout en temps réel. Les stimuli du système artificiel sont ainsi transformés en réponses similaires dans le système biologique.

Contrairement aux réseaux de neurones artificiels les plus utilisés en IA, les chercheurs ont ici employé des spiking neural networks (SNN), où l’activité neuronale est plus proche de celle biologique. Ces neurones sont implémentés dans une plateforme numérique où l’activité électrique de soixante-quatre d’entre eux est ensuite représentée par une image binaire composée de 8 × 8 carrés. Chaque carré s’allume si le neurone est actif, et sinon reste noir. Cette image est ensuite projetée en lumière bleue sur une culture in vitro de neurones de souris, qui ont justement été génétiquement modifiés pour réagir à cette couleur. On parle alors de stimulation optogénétique. En dessous de la culture, une seconde matrice d’électrodes (MEA) permet d’enregistrer leur réponse électrique ainsi qu’une imagerie Calcium, qui confirment que les neurones biologiques reproduisent bien, et en temps réel, l’activité des neurones artificiels. Après ce grand pas en avant dans la conception de neuroprothèses, les chercheurs tentent à présent de fermer la boucle en obtenant la communication inverse : des neurones biologiques aux artificiels, afin de développer de nouvelles thérapies permettant d’assurer la survie cellulaire et la régénération des circuits neuronaux.

Les réseaux de neurones artificiels font l’objet de nombreuses études en intelligence artificielle, mais pas seulement. Ils pourraient en effet également servir de prothèses, en support de neurones biologiques. Ces deux mondes doivent cependant pouvoir communiquer. Des chercheurs du Laboratoire d’intégration du matériau au système (IMS, CNRS/Université de Bordeaux/Bordeaux INP) et des universités de Tel-Aviv, Tokyo et Ikerbasque ont fabriqué une preuve de concept de neuroprothèse, où des neurones artificiels transmettent des informations à des neurones biologiques et permettent leur synchronisation, le tout en temps réel. Les stimuli du système artificiel sont ainsi transformés en réponses similaires dans le système biologique.  Contrairement aux réseaux de neurones artificiels les plus utilisés en IA, les chercheurs ont ici employé des spiking neural networks (SNN), où l’activité neuronale est plus proche de celle biologique. Ces neurones sont implémentés dans une plateforme numérique où l’activité électrique de soixante-quatre d’entre eux est ensuite représentée par une image binaire composée de 8 × 8 carrés. Chaque carré s’allume si le neurone est actif, et sinon reste noir. Cette image est ensuite projetée en lumière bleue sur une culture in vitro de neurones de souris, qui ont justement été génétiquement modifiés pour réagir à cette couleur. On parle alors de stimulation optogénétique. En dessous de la culture, une seconde matrice d’électrodes (MEA) permet d’enregistrer leur réponse électrique ainsi qu’une imagerie Calcium, qui confirment que les neurones biologiques reproduisent bien, et en temps réel, l’activité des neurones artificiels. Après ce grand pas en avant dans la conception de neuroprothèses, les chercheurs tentent à présent de fermer la boucle en obtenant la communication inverse : des neurones biologiques aux artificiels, afin de développer de nouvelles thérapies permettant d’assurer la survie cellulaire et la régénération des circuits neuronaux.
© IMS
La carte FPGA émule un réseau de neurones dont l’activité est convertie en image numérique. L’image est ensuite envoyée sur la culture de neurones. Chaque partie en blanc est alors stimulée. L’activité neuronale biologique est mesurée par un enregistrement électrique via MEA et par imagerie Calcium.

Références

Toward neuroprosthetic real-time communication from in silico to biological neuronal network via patterned optogenetic stimulation,
Y. Mosbacher, F. Khoyratee, M. Goldin, S. Kanner, Y. Malakai, M. Silva, F. Grassia, Y. Ben Simon, J. Cortes, A. Barzilai, T. Levi & P. Bonifazi
Sci Rep 10, 7512 (2020)
https://doi.org/10.1038/s41598-020-63934-4

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Communication INSIS
Timothée Levi
IMS