Souris

Publié le 2024-02-29 14:35:00. La course à la puissance de calcul atteint de nouveaux sommets avec la création par des chercheurs japonais d’un modèle numérique du cerveau de souris d’une précision inégalée, ouvrant la voie à une meilleure compréhension des maladies neurologiques et au développement de nouvelles thérapies.

• Le supercalculateur japonais Fugaku, capable d’effectuer plus de 400 000 000 000 000 opérations par seconde (400 quadrillions), a permis de simuler le cortex cérébral complet d’une souris.
• Ce modèle numérique reproduit près de dix millions de neurones, 86 régions cérébrales interconnectées et 26 milliards de synapses.
• Cette avancée offre aux scientifiques un « laboratoire cérébral virtuel » pour étudier les maladies neurologiques et tester de nouvelles thérapies.

La compétition pour construire les supercalculateurs les plus performants au monde s’intensifie depuis plusieurs années. Ces machines extraordinaires permettent de résoudre des problèmes scientifiques complexes, allant de la prévision des ouragans à la conception de nouveaux médicaments, en passant par la modélisation de l’univers. L’Espagne, avec des projets tels que MareNostrum 5 à Barcelone, Souci à León et le futur supercalculateur quantique de Saint-Sébastien, confirme l’importance croissante de l’informatique avancée dans la recherche scientifique.

Mais c’est le Japon qui se distingue particulièrement avec Fugaku, développé par RIKEN et Fujitsu. Ce supercalculateur est capable d’effectuer plus de 400 quadrillions d’opérations par seconde. Pour donner une idée de l’échelle, il faudrait plus de 12,7 milliards d’années à un être humain pour compter jusqu’à ce nombre en prononçant un chiffre par seconde – un temps comparable à l’âge de l’univers.

Fugaku est constitué de 158 976 nœuds, chacun étant un ordinateur complet avec son propre processeur et sa propre mémoire. Cette architecture massive est essentielle pour gérer des simulations d’une complexité extrême, comme la récente création du « cerveau virtuel » le plus grand et le plus détaillé à ce jour : une réplique du cortex cérébral d’une souris.

10 millions de neurones et 26 milliards de synapses

Pour la première fois, les chercheurs ont recréé numériquement le cortex cérébral complet d’une souris, un modèle comprenant près de dix millions de neurones, 86 régions cérébrales interconnectées et 26 milliards de synapses – les points de connexion où les neurones communiquent entre eux. Cette avancée représente un tournant majeur dans l’étude du fonctionnement du cerveau et permet de simuler des maladies neurologiques telles que la maladie d’Alzheimer ou l’épilepsie dans un environnement virtuel.

Ces dernières années, les supercalculateurs sont passés d’outils réservés aux centres de recherche de pointe à des infrastructures essentielles pour résoudre des problèmes insolubles avec les ordinateurs conventionnels. Le projet, développé par l’Allen Institute (États-Unis) en collaboration avec l’Université des électrocommunications du Japon, a transformé une décennie de données publiques en une copie numérique fonctionnelle du cortex de la souris.

Les chercheurs ont utilisé des bases de données comme la base de données Allen Cell Types et le Mouse Connectivity Atlas pour traduire la biologie réelle en équations mathématiques, à l’aide de la boîte à outils de modélisation du cerveau. Le simulateur neuronal Neulite a ensuite converti ces équations en neurones numériques capables de s’activer, d’envoyer des impulsions et de communiquer comme leurs homologues biologiques.

Le résultat n’est pas une simple visualisation, mais un modèle qui reproduit à la fois la forme et la fonction du cortex, de la morphologie arborescente de chaque neurone aux flux ioniques et aux fluctuations de tension membranaire. La simulation montre même l’activité spontanée que le cerveau maintient au repos, un élément crucial pour étudier son fonctionnement naturel.

Que pouvons-nous faire avec cette avancée ?

Ce modèle offre aux scientifiques un véritable « laboratoire cérébral » virtuel. Il leur permet d’observer comment l’activité se propage entre les différentes régions du cerveau, comment une défaillance neuronale se produit ou comment une maladie progresse au niveau des connexions. Il permet également de tester des hypothèses rapidement et en toute sécurité, sans avoir recours à des tissus vivants.

Selon les chercheurs, ce type d’expérimentation virtuelle pourrait accélérer le développement de nouvelles thérapies, révéler des schémas qui ne peuvent pas être détectés dans les expériences traditionnelles et améliorer notre compréhension des troubles neurologiques complexes.

Les responsables du projet insistent sur le fait que cette réalisation n’est pas une fin en soi, mais un point de départ. Maintenant qu’ils ont démontré qu’il est possible de simuler l’intégralité du cortex d’une souris avec une précision biophysique, leur prochain objectif est de créer un modèle complet du cerveau de la souris, et à terme, de s’orienter vers des simulations humaines – un objectif qui, bien que relevant encore de la science-fiction, commence à devenir envisageable.

Les détails de cette avancée seront présentés lors de SC25, la plus grande conférence mondiale sur le calcul intensif, qui se tiendra à la mi-novembre.