Les endocannabinoïdes produits dans le cerveau,dont la structure est semblable à celle de la molécule active du cannabis

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Une puce synaptique pour simuler le cerveau
Par Laurent Sacco, Futura-Sciences

Des chercheurs du MIT explorent la physique et la chimie des neurones en recréant leur comportement sur une puce synaptique. Plus efficaces que de simples microprocesseurs pour simuler le comportement du cerveau, de telles puces permettent de tester des théories sur son fonctionnement ou de réaliser des interfaces cerveau-machine.

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Les ordinateurs standard calculent en mode numérique, plus précisément en binaire, c'est-à-dire avec des séries de 0 et de 1. On ne peut donc pas effectuer directement avec eux du calcul différentiel et intégral. Une partie des calculs réalisés par un ordinateur porte ainsi sur la construction d’opérations équivalentes à celles de l’analyse (dérivées ou intégrales, par exemple). Il faut bien sûr aussi programmer l’ordinateur pour qu’il calcule avec les équations différentielles, aux dérivées partielles ou intégrales représentant un système physique donné.

Pourtant, pendant les premières décennies du siècle dernier, les ingénieurs qui souhaitaient simuler électroniquement le comportement d’un système mécanique, voire d’un gaz d’étoiles formant une galaxie, procédaient autrement. Il se trouve que les circuits électriques avec des résistances, des capacités et des inductances sont décrits mathématiquement par des équations différentielles ou intégro-différentielles. Un système de pièces mécaniques, comme celles d’une voiture roulant sur une piste défoncée, étant aussi décrit par de telles équations, il était donc possible de construire un circuit électrique donné dont le comportement mathématique est équivalent à celui d’un système mécanique, par exemple lors de résonnances capables de conduire à la rupture d’une pièce.

On appelle ce genre d’astuce de la simulation analogique. Bien sûr, elle impose de construire un nouveau circuit pour chaque système mécanique. Avec une simulation numérique sur ordinateur, en revanche, il suffit de changer de programme.

En 1952, Hodgkin et Huxley ont écrit une série de cinq articles décrivant les expériences qu'ils ont menées, visant à déterminer les lois qui régissent le mouvement des ions dans une cellule nerveuse au cours d'un potentiel d'action. Les équations différentielles qu'ils en ont tirées forment la base du modèle de Hodgkin-Huxley. En 1963, le prix Nobel de physiologie et de médecine leur fut attribué. © Erik Cheever
Une puce synaptique analogique

On peut aussi utiliser des circuits électroniques sur des puces pour effectuer des simulations analogiques d’un système physique décrit par des équations différentielles. C’est précisément ce qu'ont fait des chercheurs du MIT en fabriquant un microprocesseur contenant 400 transistors, destiné à simuler le comportement d’une synapse, la connexion entre deux neurones. Il s’agit donc d’un autre exemple de puce synaptique.

Il se trouve en effet que depuis les années 1950 et les travaux d’Alan Lloyd Hodgkin et Andrew Huxley, on a construit des modèles mathématiques sophistiqués du comportement des fameux canaux à ions responsables du potentiel d’action des neurones en relation avec l’émission et la capture de neurotransmetteurs (comme la sérotonine) dans la fente synaptique.

On a ainsi des systèmes d’équations différentielles que l’on peut utiliser pour décrire ce qui se passe au niveau d’une synapse. C’est ce genre de système qui est simulé analogiquement sur la puce CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) des chercheurs du MIT. Ils essayent plus précisément de mieux comprendre la plasticité cérébrale. Cette dernière est à la base des processus de mémorisation et d’apprentissage.
Des simulations pour tester des théories sur le cerveau

On pourrait peut-être mieux comprendre, grâce à ce genre de puce, des pathologies comme la maladie d’Alzheimer et l’action de certaines molécules pouvant constituer des traitements. Une stratégie similaire est en œuvre avec le Human Brain Project.

Pour le moment, les chercheurs du MIT ont utiliser leur simulateur analogique de synapse pour résoudre un problème lié à la plasticité cérébrale. Plus précisément, ils se sont penchés sur ce qu’on appelle la dépression synaptique à long terme.
Les endocannabinoïdes sont des neurotransmetteurs produits dans le cerveau, dont la structure est semblable à celle de la molécule active du cannabis. Ils sont impliqués dans de nombreuses fonctions, y compris l'appétit, la sensation de douleur et la mémoire. Certains neurobiologistes pensaient qu’ils jouaient un rôle dans le processus de dépression synaptique à long terme. Mais bien que des expériences aient fourni des données dans ce sens, il manquait une démonstration théorique du processus. C’est maintenant chose faite puisqu’en incluant des récepteurs à endocannabinoïdes dans leur modèle sur la puce synaptique, les chercheurs ont bien observé les caractéristiques attendues pour de la dépression synaptique à long terme.

Si ce genre de puce peut aussi servir de base à des développements d’autres puces synaptiques pour émuler un cerveau humain, elles devraient aussi permettre de progresser dans la réalisation d’interfaces entre cellules biologiques et systèmes électroniques, par exemple pour des rétines artificielles.

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