Parallèlement aux développements récents de l’apprentissage automatique comme GPT-4, un groupe de scientifiques a récemment proposé l’utilisation du tissu neural lui-même, cultivé avec soin pour recréer les structures du cerveau animal, comme substrat informatique. Après tout, si l’IA s’inspire des systèmes neurologiques, quel meilleur support pour faire de l’informatique qu’un véritable système neurologique ? Rassemblant des développements dans les domaines de l’informatique, du génie électrique, de la neurobiologie, de l’électrophysiologie et de la pharmacologie, les auteurs proposent une nouvelle initiative de recherche qu’ils appellent “l’intelligence organoïde”.
OI est un effort collectif visant à promouvoir l’utilisation d’organoïdes cérébraux – de minuscules masses sphériques de tissu cérébral issues de cellules souches – pour le calcul, la recherche sur les médicaments et comme modèle pour étudier à petite échelle le fonctionnement d’un cerveau complet. En d’autres termes, les organoïdes offrent une opportunité de mieux comprendre le cerveau, et OI vise à utiliser ces connaissances pour développer des systèmes informatiques neurobiologiques qui apprennent à partir de moins de données et avec moins d’énergie que le matériel en silicium.
Le développement d’organoïdes a été rendu possible par deux percées en bio-ingénierie : les cellules souches pluripotentes induites et les techniques de culture cellulaire 3D.
Prenant le domaine existant de l’informatique neuromorphique, où la structure des neurones et les connexions entre eux sont étudiées et imitées dans les architectures de silicium, OI étend l’analogie d’ingénierie avec la possibilité de programmer directement les comportements souhaités dans l’activité de déclenchement des cultures de cellules cérébrales animales.
Les organoïdes mesurent généralement 500 microns de diamètre, soit à peu près l’épaisseur de votre ongle. Au fur et à mesure que les organoïdes se développent, selon les chercheurs, les neurones constitutifs des organoïdes commencent à s’interconnecter dans des réseaux et des modèles d’activité qui imitent les structures de différentes régions du cerveau. Le développement du domaine des organoïdes a été rendu possible par deux percées en bio-ingénierie : les cellules souches pluripotentes induites (IPSC) et les techniques de culture cellulaire 3D. Les IPSC sont des cellules souches, notamment capables de se développer en n’importe quelle cellule présente dans le corps d’un animal, qui sont créées en transformant une cellule adulte en cellule souche. Ces cellules souches induites sont ensuite biochimiquement cajolées dans les neurones et la glie spécifiques nécessaires à la construction d’un organoïde donné. Des méthodes d’échafaudage 3D développées plus récemment permettent aux biologistes de développer des tissus neuronaux dérivés d’iPSC verticalement et horizontalement, permettant aux organoïdes de développer les réseaux interneuronaux observés dans le cerveau d’un animal. Les scientifiques étudient les cultures 2D depuis des décennies, mais les tissus monocouches ne sont pas capables de se développer en réseaux de type cerveau comme le peuvent les organoïdes.
Les réseaux font des organoïdes un modèle puissant pour comprendre et potentiellement exploiter la dynamique de l’activité cérébrale. Jens Schwamborn, professeur de biologie cellulaire et du développement à l’Université du Luxembourg, utilise des organoïdes pour étudier le développement de troubles neurologiques comme la maladie de Parkinson. « Nous avons récapitulé les principales caractéristiques de la pathologie. Nous pouvons voir la perte de neurones dopaminergiques, nous voyons l’apparition d’agrégats de protéines qui sont pertinents pour la maladie », a déclaré Schwamborn, dont le laboratoire a développé un modèle organoïde de la maladie de Parkinson. Ces plateformes leur permettent d’étudier, à petite échelle, le développement de la maladie de Parkinson dans un contexte de réseau cellulaire que les cultures monocouches ne peuvent pas : « C’est l’avantage majeur. Nous pouvons voir les caractéristiques de la maladie que nous connaissons chez les patients, mais que nous n’avons pas pu jusqu’à présent récapituler en laboratoire. Maintenant, enfin, nous pouvons le faire.
« Nous n’enseignons pas aux cellules comment le faire. [Organoids] aboutir à l’organisation des structures dans le cerveau. Je pense que c’est le pouvoir : la puissance de calcul vient de cette organisation. »
—Alysson Muotri, Université de Californie, San Diego
Tout comme les organoïdes eux-mêmes sont le produit des progrès de la bio-ingénierie, leur utilité en tant que modèles pour la fonction neurologique est le produit de plusieurs autres innovations biochimiques, l’électrophysiologie et la microfluidique. Les chercheurs peuvent désormais guider le développement des organoïdes de manière plus fiable et précise qu’ils ne le pouvaient il y a à peine une demi-décennie, et peuvent utiliser cette spécificité pour créer des organoïdes qui imitent la structure du réseau et la composition cellulaire de structures corticales et sous-corticales spécifiques. Alysson Muotri, professeur de pédiatrie et de médecine moléculaire à l’Université de Californie à San Diego, estime que ces structures pourraient leur fournir les capacités de traitement de l’information du tissu cérébral. « En 3D, vous voyez toute cette organisation supplémentaire que vous ne voyez pas en 2D. Ceci est génétiquement codé. Nous n’enseignons pas aux cellules comment le faire. Ils aboutissent à l’organisation des structures dans le cerveau. Je pense que c’est le pouvoir : la puissance de calcul vient de cette organisation. »
Avoir des organoïdes cohérents et durables permet également aux scientifiques de prendre des mesures significatives de l’activité des neurones en leur sein. Les réseaux multiélectrodes (MEA) sont des panneaux de minuscules électrodes capables de mesurer et de stimuler l’activité électrique des neurones près de la surface d’un organoïde. Les AME flexibles qui peuvent s’enrouler autour d’une masse organoïde sont capables d’enregistrer à partir de toute la surface, au lieu de seulement la couche inférieure de neurones en contact avec la boîte de Pétri. En analysant ces enregistrements, les scientifiques peuvent déduire comment tous ces neurones se parlent. Grâce à un ensemble de techniques de traitement du signal appelée modélisation causale, les chercheurs peuvent produire des cartes de connexions entre les neurones qui composent les réseaux de structure fonctionnelle organoïde. Ces cartes de réseau peuvent ensuite être utilisées pour retracer la manière dont les informations sont traitées par la masse en développement du tissu neural.
En conditionnant les populations de neurones au sein des organoïdes pour répondre de manière cohérente et prévisible aux entrées électriques définies, les scientifiques émettent l’hypothèse qu’ils peuvent transformer les systèmes organoïdes en unités de traitement organiques qui peuvent tirer parti des capacités apparentes de traitement de l’information du tissu neural pour créer des systèmes informatiques flexibles et puissants.
Cortical Labs, une startup biotechnologique basée à Melbourne, lance Dishbrain, la première plate-forme informatique neurobiologique entraînable. La société vise à fournir aux utilisateurs finaux des cultures neuronales 2D monocouches programmables, dont il a déjà été démontré qu’elles apprenaient de manière fiable des modèles d’entrée/sortie numériques tels que jouer au pong de jeu vidéo classique, en tant que service cloud. Brett Kagan, directeur scientifique de l’entreprise, déclare que l’entreprise prévoit de mettre le service en service d’ici la fin de l’année : “Nous devrions avoir, avant la fin de cette année, un système bêta pour que les gens puissent, soit par le cloud, soit en s’associant avec nous pour une utilisation en interne, connectez-vous et soyez capable d’exécuter des environnements très basiques », a-t-il déclaré.
Bien que des systèmes informatiques organoïdes sur puce similaires ne soient pas encore disponibles, l’équipe OI est optimiste quant à leur rythme de progression. Le professeur Muotri pense que nous pourrions voir des systèmes informatiques organoïdes se développer au cours de la décennie : “Nous pourrions voir un prototype dans les deux ou trois prochaines années”, a-t-il déclaré. “Pour que les choses deviennent plus reproductibles, avec tous les outils dont nous aurons besoin, cela prendra 5 ou 10 ans.”
Les recherches du groupe ont été récemment publiées dans la revue Frontières en neurosciences.
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