Des scientifiques ont appris à une collection de cellules cérébrales vivant dans un plat comment jouer à une version du jeu d’arcade pong. La recherche pourrait un jour donner aux médecins un « bac à sable » avec lequel tester des traitements pour les maladies du cerveau.
Depuis des centaines d’années, la communauté scientifique tente de démêler le fonctionnement interne du cerveau humain. Cet organe hyper-complexe contient environ 86 milliards de cellules messagères spécialisées – appelées neurones – qui contrôlent tout, de la façon dont nous assurons la médiation de nos fonctions corporelles vitales à la façon dont nous évoquons et exprimons une pensée complexe.
Révéler les secrets de sa fonction permettrait aux scientifiques de remédier à d’innombrables maux et de faire progresser une gamme de technologies connexes.
À cette fin, certains des boffins les plus brillants de la planète ont créé d’innombrables modèles informatiques du cerveau avec des échelles et des niveaux de complexité variables. Cependant, une équipe internationale de scientifiques essaie une approche différente, en prenant des cellules cérébrales embryonnaires de souris et des cellules cérébrales humaines créées à partir de cellules souches et en les faisant croître sur un réseau de microélectrodes.
Ce réseau est capable de suivre le comportement des 800 000 cellules et d’appliquer une stimulation électrique pour stimuler leur activité. En effet, DishBrain, comme l’appelle l’équipe, est un modèle vivant relativement simpliste d’une partie d’un cerveau vivant.
« Dans le passé, des modèles du cerveau ont été développés en fonction de la façon dont les informaticiens pensent que le cerveau pourrait fonctionner », commente le Dr Brett Kagan, auteur principal de la nouvelle étude et directeur scientifique de Cortical Labs. «Cela est généralement basé sur notre compréhension actuelle des technologies de l’information, telles que l’informatique au silicium. Mais en vérité, nous ne comprenons pas vraiment comment fonctionne le cerveau.
Dans une nouvelle étude publiée dans la revue Neuron, les scientifiques ont pris DishBrain et ont tenté de faire agir les cellules de manière intelligente et coordonnée pour accomplir une tâche. Plus précisément, ils voulaient voir s’ils pouvaient faire en sorte que les myriades de cellules agissent comme une seule et jouer avec succès au jeu de tennis Pong.
L’équipe a utilisé une série d’électrodes pour créer leur court de pong virtuel. Ils ont pu dire aux cellules de quel côté du terrain se trouvait le ballon à l’aide de signaux électriques, et la fréquence de ces signaux a été utilisée pour indiquer sa direction et à quelle distance le ballon était de traverser un mur invisible pour marquer.
Selon un communiqué de presse du site australien Science in Public, la rétroaction des électrodes a également été utilisée pour apprendre au cerveau modèle comment renvoyer la balle. Plus précisément, l’activité des cellules dans deux régions définies du plat a été recueillie et utilisée pour déplacer une palette virtuelle de haut en bas.
Cependant, entraîner le cerveau du modèle à déplacer correctement la pagaie était un défi. Ordinairement, la dopamine est libérée par le cerveau pour récompenser une action correcte, ce qui à son tour encourage un sujet à agir d’une manière spécifique. Avec DishBrain, ce n’était pas une option.
Au lieu de cela, l’équipe s’est tournée vers une théorie scientifique connue sous le nom de « principe de l’énergie libre » qui affirme que les cellules comme les neurones feront ce qu’elles peuvent pour réduire l’imprévisibilité de leur environnement.
L’équipe a mis en œuvre la théorie en frappant le plat avec un stimulus électrique imprévisible lorsque la raquette n’a pas réussi à intercepter la balle, après quoi la balle virtuelle repartait sur un vecteur aléatoire. Inversement, si les neurones étaient capables de déplacer la raquette pour dévier avec succès la balle, alors un stimulus électrique prévisible était appliqué à toutes les cellules à la fois, après quoi le jeu se poursuivait de manière prévisible.
Comme les cellules étaient enclines à rendre leur environnement prévisible, elles ont travaillé pour comprendre le jeu et prolonger le rallye pong.
« L’aspect magnifique et pionnier de ce travail repose sur le fait de doter les neurones de sensations – la rétroaction – et surtout de la capacité d’agir sur leur monde », déclare le professeur Karl Friston, co-auteur de la nouvelle étude de l’University College London. « Remarquablement, les cultures ont appris à rendre leur monde plus prévisible en agissant en conséquence. »
L’équipe a découvert que la capacité de DishBrain à prolonger un rallye s’améliorait considérablement en seulement cinq minutes. En d’autres termes, les cellules ont pu s’auto-organiser pour atteindre un objectif, en utilisant ce que les chercheurs ont défini comme une intelligence biologique synthétique.
« Le potentiel translationnel de ce travail est vraiment passionnant : cela signifie que nous n’avons pas à nous soucier de créer des « jumeaux numériques » pour tester des interventions thérapeutiques », commente le professeur Friston. « Nous avons maintenant, en principe, le » bac à sable « biomimétique ultime dans lequel tester les effets des médicaments et des variantes génétiques – un bac à sable constitué exactement des mêmes éléments informatiques (neuronaux) trouvés dans votre cerveau et le mien. »
À l’avenir, les chercheurs prévoient de donner de l’alcool à DishBrain pour voir comment cela affecte ses performances au pong. Un jour, les auteurs de l’étude espèrent que le modèle pourrait fournir une alternative utile aux tests sur les animaux et permettre aux médecins d’acquérir de nouvelles connaissances sur les maladies dégénératives comme la démence.
Anthony Wood est rédacteur scientifique indépendant pour l’IGN
Crédit image : Laboratoires corticaux