Construire un cerveau sur une puce de silicium

Une équipe internationale de scientifiques en Europe a créé une puce de silicium conçue pour fonctionner comme un cerveau humain. Avec 200 000 neurones reliés par 50 millions de connexions synaptiques, la puce est capable d'imiter la capacité du cerveau à apprendre plus étroitement que toute autre machine.

Une puce intelligente : Des scientifiques européens utilisent des techniques conventionnelles de production de puces pour créer des circuits qui imitent la structure et la fonction du cerveau humain. Ce premier prototype ne compte que 384 neurones et 100 000 synapses, mais la dernière version contient 200 000 neurones et 50 millions de synapses.

Bien que la puce ait une fraction du nombre de neurones ou de connexions trouvés dans un cerveau, sa conception lui permet d'être agrandie, dit Karlheinz Meier , physicien à l'Université de Heidelberg, en Allemagne, qui a coordonné le projet Fast Analog Computing with Emergent Transient States, ou FACETTES .

L'espoir est que la recréation de la structure du cerveau sous forme informatique puisse aider à approfondir notre compréhension de la façon de développer de nouveaux ordinateurs massivement parallèles et puissants, dit Meier.

Ce n'est pas la première fois que quelqu'un essaie de recréer le fonctionnement du cerveau. Un effort appelé le Cerveau bleu projet, dirigé par Henri Markram à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, en Suisse, a utilisé de vastes bases de données de données biologiques enregistrées par des neurologues pour créer une simulation extrêmement complexe et réaliste du cerveau sur un superordinateur IBM.

FACETS a puisé dans les mêmes bases de données. Mais plutôt que de simuler des neurones, dit Karlheinz, nous les construisons. À l'aide d'une plaquette de silicium standard de huit pouces, les chercheurs recréent les neurones et les synapses sous forme de circuits de transistors et de condensateurs, conçus pour produire le même type d'activité électrique que leurs homologues biologiques.

Un circuit de neurones se compose généralement d'environ 100 composants, tandis qu'une synapse n'en nécessite qu'environ 20. Cependant, comme il y en a beaucoup plus, les synapses occupent la majeure partie de l'espace sur la plaquette, explique Karlheinz.

L'avantage de cette approche câblée, par opposition à une simulation, poursuit Karlheinz, est qu'elle permet aux chercheurs de recréer la structure semblable à un cerveau d'une manière vraiment parallèle. L'exécution de simulations en temps réel nécessite d'énormes quantités de puissance de calcul. De plus, les modèles physiques peuvent fonctionner beaucoup plus rapidement et sont plus évolutifs. En fait, le prototype actuel peut fonctionner environ 100 000 fois plus vite qu'un vrai cerveau humain. Nous pouvons simuler un jour dans une seconde, explique Karlheinz.

Bien que cela puisse sembler invraisemblable, les neurones sont en réalité très lents, du moins par rapport aux ordinateurs, dit Thomas Serre , chercheur en neurosciences computationnelles au MIT. La raison pour laquelle les ordinateurs semblent beaucoup plus lents est qu'ils sont des machines en série, alors que nos cerveaux fonctionnent en parallèle, dit-il.

FACETS n'est pas le seul groupe à adopter cette approche. Les chercheurs de Université de Stanford ont également créé des circuits neuronaux et le Agence des Projets de Défense Avancée a récemment commencé à financer un projet similaire.

Là où FACETS est en avance sur tout le monde, c'est qu'ils utilisent ces synapses complexes, explique Markram. Bien que les neurones soient assez simples, dit-il, les synapses sont conçues pour utiliser un algorithme distribué très puissant, développé par Markram, appelé plasticité dépendante du temps de pointe, qui permet à l'appareil d'apprendre et de s'adapter à de nouvelles situations.

La construction de circuits aussi complexes a nécessité une étroite collaboration avec des neurobiologistes, explique Markram. En effet, le projet, dont le budget actuel est de 10,5 millions d'euros (14,1 millions de dollars US), s'appuie sur les contributions de 15 groupes scientifiques de sept pays différents. L'un des défis auxquels ils sont confrontés est de recréer la structure tridimensionnelle du cerveau dans un morceau de silicium en 2D, dit-il.

Malgré les efforts pour rendre les puces aussi biologiquement plausibles que possible, Markram admet qu'elles sont encore brutes par rapport à ce qui peut être réalisé en simulation. Ce n'est pas un cerveau. Il s'agit plutôt d'un processeur informatique doté d'une partie du calcul parallèle accéléré du cerveau, dit-il.

Pour cette raison, Markram doute que l'approche matérielle offre beaucoup d'informations sur le fonctionnement du cerveau. Par exemple, contrairement à Blue Brain, les chercheurs ne seront pas en mesure d'effectuer des tests de dépistage in silico, simulant les effets des médicaments sur le cerveau. C'est plus une plate-forme pour l'intelligence artificielle que pour comprendre la biologie, dit-il.

Le groupe FACETS prévoit désormais de développer davantage ses puces, en connectant un certain nombre de plaquettes pour créer une superpuce avec un total d'un milliard de neurones et 1013 synapses.

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