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Construire le cortex dans le silicium
Un ambitieux projet de modélisation du cortex cérébral en silicium est en cours à Stanford. Le cerveau artificiel pourrait aider les scientifiques à comprendre comment la partie la plus récemment évoluée de notre cerveau effectue ses exploits informatiques complexes, nous permettant de comprendre le langage, de reconnaître les visages et de planifier la journée. Cela pourrait également conduire à de nouvelles prothèses neurales.
Des puces de silicium conçues pour ressembler au cerveau pourraient faire la lumière sur sa puissance de calcul.
Les cerveaux font les choses de manière techniquement et conceptuellement novatrices : ils peuvent résoudre sans effort des problèmes que nous ne pouvons pas encore résoudre avec les machines numériques les plus grandes et les plus modernes, explique Rodney Douglas , professeur à l'Institut de neuroinformatique de Zurich. L'une des façons d'explorer cela est de développer du matériel qui va dans le même sens.
Les neurones communiquent avec une série d'impulsions électriques ; les signaux chimiques modifient de manière transitoire les propriétés électriques des cellules individuelles, qui à leur tour déclenchent un changement électrique dans le prochain neurone du circuit. Dans les années 1980, Carver Hydromel , un pionnier de la microélectronique au California Institute of Technology, s'est rendu compte que les mêmes transistors utilisés pour construire des puces informatiques pouvaient être utilisés pour construire des circuits imitant les propriétés électriques des neurones. Depuis lors, les scientifiques et les ingénieurs utilisent ces neurones à transistors pour construire des circuits neuronaux plus complexes, modélisant la rétine, la cochlée (la partie de l'oreille interne qui traduit les ondes sonores en signaux neuronaux) et l'hippocampe (une partie du cerveau crucial pour la mémoire). Ils appellent le processus neuromorphing.
À présent Kwabena Boahen , neuro-ingénieur à l'Université de Stanford, envisage le projet neuromorphique le plus ambitieux à ce jour : créer un modèle en silicium du cortex. La conception de première génération sera composée d'une carte de circuit imprimé avec 16 puces, chacune contenant un réseau de 256 par 256 neurones en silicium. Des groupes de neurones peuvent être configurés pour avoir des propriétés électriques différentes, imitant différents types de cellules dans le cortex. Les ingénieurs peuvent également programmer des connexions spécifiques entre les cellules pour modéliser l'architecture dans différentes parties du cortex.
Nous voulons pouvoir explorer différentes idées, différents modèles de connectivité, différentes opérations dans ces domaines, explique Boahen. Il n'est pas vraiment possible d'explorer cela pour le moment. Boahen envisage finalement de construire des puces que d'autres scientifiques peuvent acheter et utiliser pour tester leurs propres théories sur le fonctionnement du cortex. Ces nouvelles connaissances peuvent ensuite être intégrées à la prochaine génération de puces.
C'est très excitant, dit Terrence Sejnowski , directeur du laboratoire de neurobiologie computationnelle du Salk Institute, à La Jolla, en Californie. La technologie a mûri au point où il est possible de penser à des simulations à grande échelle. Par exemple, Sejnowski étudie comment le thalamus, une zone du cerveau censée relayer et intégrer des informations provenant de différentes parties du cerveau, interagit avec le cortex. Nous pouvons actuellement faire de petites simulations de centaines à des milliers de neurones, mais ce serait formidable de pouvoir étendre cela, dit-il.
La grille d'un million de neurones aura une vitesse de traitement équivalente à 300 téraflops, ce qui signifie que contrairement aux simulations informatiques du cortex, le modèle en silicium câblé pourra fonctionner en temps réel. Au lieu d'exécuter un millier d'instructions logicielles, c'est juste du courant qui traverse des transistors, tout comme de vrais neurones, explique Boahen.
Bien sûr, le projet sera un défi. Ils devront obtenir un grand nombre de puces pour fonctionner ensemble, explique Douglas. Mettre en place une structure à l'échelle que Kwabena a en tête – personne ne l'a encore fait. Mais cela pourrait devenir un tournant dans le domaine. Douglas compare l'état actuel de l'ingénierie neuromorphique aux premières étapes de la conception de puces informatiques. Les gens travaillaient sur différents types de portes logiques, mais il a fallu une toute autre vision du monde pour construire des puces informatiques, dit-il.
Les ingénieurs espèrent finalement utiliser les informations générées par le cortex de silicium de diverses manières – pour construire de meilleures prothèses neurales, par exemple. L'aspect temps réel de cette technologie nous permet en principe d'interfacer le cortex de silicium avec le vrai cortex ou cerveau, explique Gert Cauwenberghs, neuro-ingénieur à l'Université de Californie à San Diego. Il y a la promesse, au moins à l'avenir, de construire une prothèse pour remplacer une fonction motrice ou sensorielle perdue.